温度传感器原理(温度传感器原理及应用)

在个人电子产品、工业或医疗应用的设计中，工程师们必须面对同样的挑战，即如何提高性能、增加功能和减小尺寸。除了这些考虑之外，他们必须仔细监控温度，以确保安全并保护系统和消费者免受伤害。

许多行业的另一个共同趋势是需要处理来自更多传感器的更多数据，这进一步说明了温度测量的重要性:不仅测量系统或环境条件，还可以补偿其他温度敏感元件，从而确保传感器和系统的精度。另一个优点是，通过精确的温度监控，不需要过度设计系统来补偿不精确的温度测量，这可以提高系统性能并降低成本。

温度挑战分为三类。

温度监控:温度传感器提供有价值的数据，以持续跟踪温度条件，并为控制系统提供反馈。监控可以是系统温度监控或环境温度监控。在某些应用中，我们可以看到设计挑战的特点是需要在控制环路中实现两种监控。这些包括系统温度监测、环境温度监测和体温或体液温度监测。

温度保护:在许多应用中，一旦系统超过或低于功能温度阈值，就需要采取措施。当温度传感器检测到预定义的条件时，它会提供输出警报，以防止系统被损坏。在不影响系统可靠性的情况下提高处理器吞吐量是可行的。系统经常过早启动安全热关断，导致性能损失高达5°C甚至10°C，当系统超过或低于功能温度阈值时，工程师可以独立启动实时保护措施。

温度补偿:温度传感器可以在正常运行时随着温度的变化最大化系统的性能。在加热和冷却过程中监控和校正其他关键部件的温度漂移可以降低系统故障的风险。

本系列文章将对TI应用进行一些介绍，从而解释使用不同温度检测技术的各种应用的设计考虑。首先介绍主要的温度挑战，然后强调各种应用的设计考虑，评估温度精度和应用尺寸之间的权衡，并讨论传感器放置方法。

温度传感器的基本原理

在嵌入式系统中，总是要求更高的性能、更多的功能和更小的尺寸。鉴于这种需求，设计人员必须监控整体温度，以确保安全和保护系统。在应用中集成更多的传感器进一步促进了温度测量的需求，不仅可以测量系统条件或环境条件，还可以补偿温度敏感元件并保持整体系统精度。

温度设计中的注意事项

实现高效温度监控和保护的注意事项包括:

准确性。传感器精度表明温度有多接近真实值。确定精度时，必须考虑所有因素，包括采集电路和整个工作温度范围内的线性度。

尺寸。传感器的尺寸会影响设计，对整个电路的分析有助于实现更优化的设计。传感器尺寸还决定了热响应时间，这对于温度监控等应用非常重要。

传感器放置。传感器的封装和放置会影响响应时间和传导路径；这两个因素对于高效的温度设计至关重要。

工业中常见的温度传感器技术包括集成电路(IC)传感器、热敏电阻、RTD和热电偶。下表比较了为设计挑战选择合适技术时涉及的主要特性。

集成电路传感器

IC温度传感器依赖于硅带隙的预测温度依赖性。如下图和公式所示，精密电流向内部正偏pn结供电，从而产生与器件温度对应的基极-发射极电压变化(VBE)。

硅带隙的温度依赖性

鉴于硅的可预测性，IC可以在很宽的温度范围内提供高线性度和精度(最高0.1°C)。这些传感器可以集成系统功能，如模数转换器(ADC)或比较器，最终可以降低系统的复杂度和空占用的整体空间。这些传感器通常采用表面贴装和穿孔封装技术。

热敏电阻

热敏电阻是无源元件，其阻值很大程度上取决于温度。热敏电阻分为两种:正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)。

虽然热敏电阻为片内和片外温度检测方法提供了多种封装选择，但其实施通常需要比IC传感器更多的系统元件。硅基PTC热敏电阻具有线性特性，而NTC热敏电阻具有非线性特性，这通常会增加校准成本和软件开销。

热敏电阻的典型实现方案

该图显示了典型的热敏电阻实施方案。通常很难确定热敏电阻的真正系统精度。NTC系统误差的影响因素包括NTC容差、偏置电阻(易受温度漂移影响)、ADC(可能引起量化误差)、NTC固有的线性化误差和基准电压。

铂电阻

RTD是一种由铂、镍或铜等纯材料制成的温度传感器，具有高度可预测的电阻/温度关系。

复杂四线RTD电路

铂RTD可以在高达600°c的宽温度范围内提供高精度和线性度，如上图所示，使用模拟传感器的实施方案包括复杂的电路和设计挑战。最后，为了实现精确的系统，需要进行复杂的误差分析，因为有大量的元件会影响系统的整体尺寸。RTD还需要在制造过程中进行校准，然后每年进行现场校准。

RTD系统误差的影响因素包括RTD容差、自热、ADC量化误差和参考电压。

热电偶

热电偶由两个不同的电导体组成，它们在不同的温度下形成一个电接点。由于热电塞贝克效应，热电偶会产生与温度相关的电压。这个电压被转换成热端和冷端之间的温差。

带冷结补偿(CJC)温度传感器的热电偶

你必须知道冷端的温度才能得到热端的温度。这里的精度将是有限的，因为有两个系统，它们具有不同的容差和能力，并相互影响。图中显示了典型的CJC实施方案，其中热电偶和外部传感器用于测量热端温度。

热电偶不需要外部激励，所以不会受到自热问题的影响。它们还支持极端温度(> 2000°C)。

尽管热电偶耐用且价格低廉，但它们需要额外的温度传感器来支持CJC。热电偶通常具有非线性特性，对热电偶和电路板之间的寄生结非常敏感。数字化热电偶很容易受到前面讨论的ADC误差的影响。

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