溫度傳感器工作原理 |
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詳細(xì)介紹 | ||||||||||||||||
溫度傳感器工作原理 溫度傳感器是檢測(cè)溫度的器件,其種類zui多,應(yīng)用zui廣,發(fā)展zui快。*,日常使用的材料及電子元件大部分特性都隨溫度而變化,在此我們暫時(shí)介紹zui常用的熱電阻和熱電偶兩類產(chǎn)品。 1.熱電偶的工作原理 當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體和半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路,其兩端相互連接時(shí),只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同,一端溫度為T,稱為工作端或熱端,另一端溫度為TO,稱為自由端(也稱參考端)或冷端,則回路中就有電流產(chǎn)生,如圖2-1(a)所示,即回路中存在的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。與塞貝克有關(guān)的效應(yīng)有兩個(gè):其一,當(dāng)有電流流過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的連接處時(shí),此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方向),稱為珀?duì)柼?yīng);其二,當(dāng)有電流流過(guò)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體吸收或放出熱量(取決于電流相對(duì)于溫度梯度的方向),稱為湯姆遜效應(yīng)。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢(shì)EAB(T,T0)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)合成的。接觸電勢(shì)是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢(shì),此電勢(shì)與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。溫差電勢(shì)是指同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢(shì),此電勢(shì)只與導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān),而與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、截面大小、沿其長(zhǎng)度方向的溫度分布無(wú)關(guān)。無(wú)論接觸電勢(shì)或溫差電勢(shì)都是由于集中于接觸處端點(diǎn)的電子數(shù)不同而產(chǎn)生的電勢(shì),熱電偶測(cè)量的熱電勢(shì)是二者的合成。當(dāng)回路斷開(kāi)時(shí),在斷開(kāi)處a,b之間便有一電動(dòng)勢(shì)差△V,其極性和大小與回路中的熱電勢(shì)一致,如圖2-1(b)所示。并規(guī)定在冷端,當(dāng)電流由A流向B時(shí),稱A為正極,B為負(fù)極。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)△V很小時(shí),△V與△T成正比關(guān)系。定義△V對(duì)△T的微分熱電勢(shì)為熱電勢(shì)率,又稱塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)的符號(hào)和大小取決于組成熱電偶的兩種導(dǎo)體的熱電特性和結(jié)點(diǎn)的溫度差。 2.熱電偶的種類 目前,電工委員會(huì)(IEC)推薦了8種類型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,即為T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。 熱電阻 1.熱電阻材料的特性 導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變,通過(guò)測(cè)量其阻值推算出被測(cè)物體的溫度,利用此原理構(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器,這種傳感器主要用于-200—500℃溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。 純金屬是熱電阻的主要制造材料,熱電阻的材料應(yīng)具有以下特性: ①電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定,電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系。 ②電阻率高,熱容量小,反應(yīng)速度快。 ③材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好,價(jià)格低。 ④在測(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特性穩(wěn)定。 目前,在工業(yè)中應(yīng)用zui廣的鉑和銅,并已制作成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娮琛?/span> 2.鉑電阻 鉑電阻與溫度之間的關(guān)系接近于線性,在0~630.74℃范圍內(nèi)可用下式表示Rt=R0(1+At+Bt2) (2-1)在-190~0℃范圍內(nèi)為Rt=R0(1+At+Bt2十Ct3) (2-2)式中,RO、Rt為溫度0°及t°時(shí)鉑電阻的電阻值,t為任意溫度,A、B、C為溫度系數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定,A=3.9684×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-l2/℃3。由式(2-1)和式(2-2)看出,當(dāng)R0值不同時(shí),在同樣溫度下,其Rt值也不同。 3.銅電阻 在測(cè)溫精度要求不高,且測(cè)溫范圍比較小的情況下,可采用銅電阻做成熱電阻材料代替鉑電阻。在-50~150℃的溫度范圍內(nèi),銅電阻與溫度成線性關(guān)系,其電阻與溫度關(guān)系的表達(dá)式為Rt=R0(1+At) (2-3)式中,A=4.25×10-3~4.28×10-3℃為銅電阻的溫度系數(shù) 按照溫度傳感器 輸出信號(hào)的模式,可大致劃分為三大類:數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。 一、模擬溫度傳感器 傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器,如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對(duì)溫度的監(jiān)控,在一些溫度范圍內(nèi)線性不好,需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償或引線補(bǔ)償;熱慣性大,響應(yīng)時(shí)間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比,具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),而且它還將驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上,有實(shí)際尺寸小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。這里主要介紹該類器件的幾個(gè)典型。 1、AD590溫度傳感器 AD590是美國(guó)模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器,供電電壓范圍為3~30V,輸出電流223μA(-50℃)~423μA(+150℃),靈敏度為1μA/℃。當(dāng)在電路中串接采樣電阻R時(shí),R兩端的電壓可作為喻出電壓。注意R的阻值不能取得太大,以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號(hào)傳輸距離可達(dá)到1km以上。作為一種高阻電流源,zui高可達(dá)20MΩ,所以它不必考慮選擇開(kāi)關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的控制。 2、LM135/235/335溫度傳感器 LM135/235/335系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)生產(chǎn)的一種高精度易校正的集成溫度傳感器,工作特性類似于齊納穩(wěn)壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K,具有小于1Ω的動(dòng) 態(tài)阻抗,工作電流范圍從400μA到5mA,精度為1℃,LM135的溫度范圍為-55℃~+150℃,LM235的溫度范圍為-40℃~+125℃,LM335為-40℃~+100℃。封裝形式有TO-46、TO-92、SO-8。該系列器件廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫差測(cè)量以及溫度補(bǔ)償系統(tǒng)中。 二、邏輯輸出型溫度傳感器 在許多應(yīng)用中,我們并不需要嚴(yán)格測(cè)量溫度值,只關(guān)心溫度是否超出了一個(gè)設(shè)定范圍,一旦溫度超出所規(guī)定的范圍,則發(fā)出報(bào)警信號(hào),啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其它控制設(shè)備,此時(shí)可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。 1、LM56溫度開(kāi)關(guān) LM56是NS公司生產(chǎn)的高精度低壓溫度開(kāi)關(guān),內(nèi)置1.25V參考電壓輸出端。zui大只能帶50μA的負(fù)載。 電源 電壓從2.7~10V,工作電流zui大230μA,內(nèi)置傳感器的靈敏度為6.2mV/℃,傳感器輸出電壓為6.2mV/℃×T+395mV。 2、MAX6501/02/03/04溫度監(jiān)控開(kāi)關(guān) MAX6501/02/03/04是具有邏輯輸出和SO T-23封裝的溫度監(jiān)視器件開(kāi)關(guān),它的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單:用戶選擇一種接近于自己需要的控制的溫度門限(由廠方預(yù)設(shè)在-45℃到+115℃,預(yù)設(shè)值間隔為10℃)。直接將其接入電路即可使用,無(wú)需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503為漏極開(kāi)路低電平報(bào)警輸出,MAX6502/MAX6504為推/拉式高電平報(bào)警輸出,MAX6501/MAX6503提供熱溫度預(yù)置門限(35℃到+115℃),當(dāng)溫度高于預(yù)置門*報(bào)警;MAX6502/MAX6504提供冷溫度預(yù)置門限(-45℃到+15℃),當(dāng)溫度低于預(yù)置門*報(bào)警。 對(duì)于需要一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度超限報(bào)警而 又空間有限的應(yīng)用如筆記本電腦、蜂窩等應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常理想的,該器件的典型溫度誤差是±0.5℃,zui大±4℃,滯回溫度可通過(guò)引腳選擇為2℃或10℃,以避免溫度接近門限值時(shí)輸出不穩(wěn)定。這類器件的工作電壓范圍為2.7V到5.5V,典型工作電流30μA。 三、數(shù)字式溫度傳感器 1、MAX6575 /76/77 數(shù)字溫度傳感器 如果采用數(shù)字式接口的溫度傳感器,上述設(shè)計(jì)問(wèn)題將得到簡(jiǎn)化。同樣,當(dāng)A/D和微處理器的I/O管腳短缺時(shí),采用時(shí)間或頻率輸出的溫度傳感器也能解決上述測(cè)量問(wèn)題。以MAX6575/76/77系列SOT-23封裝的溫度傳感器為例,這類器件可通過(guò)單線和微處理器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的傳送,提供三種靈活的輸出方式--頻率、周期或定時(shí),并具備±0.8℃的典型精度,一條線zui多允許掛接8個(gè)傳感器,150μA典型電源電流和2.7V到5.5V的寬電源電壓范圍及-45℃到+125℃的溫度范圍。它輸出的方波信號(hào)具有正比于溫度的周期,采用6腳SOT-23封裝,僅占很小的板面。該器件通過(guò)一條I/O與微處理器相連,利用微處理器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器測(cè)出周期后就可計(jì)算出溫度。 2、可多點(diǎn)檢測(cè)、直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器 DS1612 DS1612是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS 數(shù)字式溫度傳感器。內(nèi)含兩個(gè)不揮發(fā)性存儲(chǔ)器,可以在存儲(chǔ)器中任意的設(shè)定上限和下限溫度值進(jìn)行恒溫器的溫度控制,由于這些存儲(chǔ)器具有不揮發(fā)性,因此一次定入后,即使不用CPU也仍然可以獨(dú)立使用。 溫度測(cè)量原理和精度:在芯片上分別設(shè)置了一個(gè)振蕩頻率溫度系數(shù)較大的振蕩器(OSC1)和一個(gè)溫度系數(shù)較小的振蕩器(OSC2)。在溫度較低時(shí),由于OSC2的開(kāi)門時(shí)間較. |