傳感器信號(hào)通道

熱敏電阻

熱敏電阻的阻值取決于溫度，一般由半導(dǎo)體材料制成，如金屬氧化物陶瓷或聚合物。應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)電阻，因此，熱敏電阻通常稱為NTC。同樣，也存在正溫度系數(shù)的熱敏電阻(PTC)。

熱敏電阻能夠測(cè)量中等溫度范圍，通常最高可達(dá)+150°C，有些熱敏電阻可以測(cè)量更高溫度；根據(jù)精度的不同，成本一般在中、低端；線性度雖然較差，但可預(yù)測(cè)。熱敏電阻可以是探頭、表貼封裝、裸線等不同形式的專用封裝。Maxim提供能夠?qū)崦綦娮枳柚缔D(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的IC，如MAX6682和MAX6698。

熱敏電阻往往連接一個(gè)或多個(gè)固定阻值電阻，形成分壓器。分壓器輸出通常經(jīng)過(guò)ADC進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。利用查找表或通過(guò)計(jì)算對(duì)熱敏電阻的非線性進(jìn)行修正。

RTD

電阻溫度檢測(cè)器(RTD)是一種阻值隨溫度變化的電阻。鉑是最常見(jiàn)、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD稱為Pt-RTD，鎳、銅及其它金屬亦可用來(lái)制造RTD。

RTD具有較寬的測(cè)溫范圍，最高達(dá)+750°C，具有較高精度和較好的可重復(fù)性，線性度適中。對(duì)于Pt-RTD，最常見(jiàn)的電阻值為：0°C時(shí)，標(biāo)稱值為100Ω或1kΩ，當(dāng)然也有其它電阻值。

RTD的信號(hào)調(diào)理可以非常簡(jiǎn)單：將RTD與一個(gè)精密的固定阻值電阻相連，構(gòu)成分壓器；也可以采用更復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理，尤其是在寬溫測(cè)量中。方案中通常包括：精密電流源、電壓基準(zhǔn)和高分辨率ADC，如圖1所示。利用查找表或通過(guò)計(jì)算、外部線性化處理電路對(duì)傳感器進(jìn)行線性化調(diào)整。


圖1. RTD信號(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)化圖

熱電偶

熱電偶由兩種連接在一起的不同金屬制成。金屬絲之間的觸點(diǎn)所產(chǎn)生的電壓與溫度近似成比例關(guān)系。有幾種類型的熱電偶分別以字母表示。最常見(jiàn)的熱電偶為K型熱電偶。

熱電偶具有非常寬的測(cè)溫范圍，高達(dá)+1800°C；成本很低，具體成本與封裝有關(guān)；具有較低的輸出電壓，K型熱電偶的輸出大約為40µV/°C；線性度適中，并可提供適當(dāng)?shù)膹?fù)雜信號(hào)調(diào)理，即冷端補(bǔ)償和放大。

由于熱電偶輸出信號(hào)較低，利用熱電偶測(cè)量溫度具有一定難度。由于熱電偶金屬絲連接到信號(hào)調(diào)理電路的銅線(或引線)時(shí)，在觸點(diǎn)位置又會(huì)產(chǎn)生額外的熱電偶，進(jìn)一步加劇了測(cè)量的復(fù)雜性。該觸點(diǎn)稱為冷端(圖2所示)。為了利用熱電偶準(zhǔn)確測(cè)量溫度，必須在冷端位置增加第二個(gè)溫度傳感器，如圖3所示。然后將冷端測(cè)量溫度與熱電偶測(cè)量值相疊加。圖3所示電路是一種實(shí)施方案，其中包括多款精密元件。


圖2. 熱電偶電路簡(jiǎn)化圖。金屬1和金屬2之間的結(jié)為主熱電偶結(jié)。金屬1和金屬2與測(cè)量裝置銅線或印制板(PCB)引線的接觸位置形成了額外的熱電偶。

除圖3所示所有元件外，Maxim還提供用于K型熱電偶信號(hào)調(diào)理的器件MAX6674和MAX6675。這些器件簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù)，并顯著降低對(duì)熱電偶輸出放大、冷端補(bǔ)償及數(shù)字化處理的元件數(shù)量。


圖3. 熱電偶信號(hào)調(diào)理電路示例

溫度傳感器IC

溫度傳感器IC充分利用了硅PN結(jié)所具備的線性度和預(yù)知的溫度特性等優(yōu)勢(shì)。由于這些IC都是采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝制成的有源電路，可提供各種外形封裝。這些器件具備許多功能，例如：數(shù)字接口、ADC輸入、風(fēng)扇控制等，這是其它技術(shù)無(wú)法提供的。溫度傳感器IC的工作溫度范圍可低至-55°C、高達(dá)+125°C，部分產(chǎn)品的溫度上限可以達(dá)到+150°C左右。以下介紹了常見(jiàn)的溫度傳感器IC。

模擬溫度傳感器

模擬溫度傳感器IC將溫度轉(zhuǎn)換成電壓，有些情況下則轉(zhuǎn)換成電流。最簡(jiǎn)單的電壓輸出模擬溫度傳感器只有三個(gè)有效端：地、電源輸入和信號(hào)輸出。其它具有增強(qiáng)功能的模擬傳感器提供更多的輸入或輸出，例如比較器或電壓基準(zhǔn)輸出。

模擬溫度傳感器利用雙極型晶體管的溫度特性產(chǎn)生與溫度成比例的輸出電壓。對(duì)這一電壓信號(hào)進(jìn)行放大并施加一定的偏置，可以使傳感器輸出電壓與管芯溫度形成適當(dāng)?shù)淖兓P(guān)系，獲得較高的溫度測(cè)量精度。例如，DS600業(yè)內(nèi)精度最高的模擬溫度傳感器，在-20°C至+100°C溫度范圍內(nèi)保證誤差小于±0.5°C。

本地?cái)?shù)字溫度傳感器

將模擬溫度傳感器與ADC集成在一起即可形成直接輸出數(shù)字信號(hào)的溫度傳感器。這種器件通常稱為數(shù)字溫度傳感器或本地?cái)?shù)字溫度傳感器。“本地”表示傳感器測(cè)量的是自身溫度。這種工作方式相對(duì)于遠(yuǎn)端傳感器，后者用于測(cè)量外部IC或分立晶體管的溫度。

基本的數(shù)字溫度傳感器只是簡(jiǎn)單地測(cè)量溫度，溫度數(shù)據(jù)通過(guò)各種特定接口讀取，接口類型包括：1-Wire®、I²C、PWM和3線。復(fù)雜的數(shù)字傳感器具備更多功能，例如：高溫/低溫報(bào)警輸出、設(shè)置觸發(fā)門限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地?cái)?shù)字溫度傳感器，包括DS7505和DS18B20，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保證±0.5°C的精度。