【技术分享】详解线性温度传感器大的工作原理及应用

2019-05-16 14:12:10 来源:电子发烧友
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线性温度传感器是线性化输出负温度系数(简称ntc)热敏元件,它实际上是一种线性温度-电压转换元件,就是说通以工作电流(100ua)条件下,元件电压值随温度呈线性变化,实现了非电量到电量线性转换。
 
线性ntc温度传感器的主要特点就是工作温度范围内温度-电压关系为一直线,这二次开发测温、控温电路设计,将无须线性化处理,就可以完成测温或控温电路设计,简化仪表设计和调试。
 
延长线选用应遵循的原则:
 
一般-200~+20℃、-50~+100℃宜选用普通双胶线;100~200℃范围内应选用高温线。
 
 
基准电压的含义:
基准电压是指传感器置于0℃温场(冰水混合物),通以工作电流(100μa)条件下,传感器上电压值。实际上就是0点电压。其表示符号为v(0),该值出厂时标定,传感器温度系数s相同,则知道基准电压值v(0),即可求知任何温度点上传感器电压值,而不必对传感器进行分度。其计算公式为:
 
v(t)=v(0)+s×t
 
示例:如基准电压v(0)=700mv;温度系数s=-2mv/℃,则50℃时,传感器输出电压v(50)=700—2×50=600(mv)。这一点正是线性温度传感器优于其它温度传感器可贵之处。
 
线性ntc温度传感器测温范围规定:
就总而言,测温范围可-200~+200℃之间,但考虑实际需要,一般无须如此宽温度范围,规定三个不同区段,以适应不同封装设计,同时延长线选用上亦有所不同。而温度补偿专用线性热敏元件,则只设定工作温度范围为-40℃~+80℃。完全可以满足一般电路温度补偿之用。
 
温度系数s的含义:
温度系数s是指规定工作条件下,传感器输出电压值变化与温度变化比值,即温度每变化1℃传感器输出电压变化之值: s=△v/△t(mv/℃)。
 
温度系数是线性温度传感器做为温度测量元件物理基础,其作用与热敏电阻b值相似,这个参数整个工作温度范围内是同一值,即-2mv/℃,各种型号传感器也是同一值,这一点传统热敏电阻温度传感器是无可比拟。
 
互换精度这一参数的意义:
互换精度是指同一工作条件下(同一工作电流、同一温场)同一个确定理想拟合直线,每一只传感器电压v(t)—温度t曲线与该直线最大偏差,这个偏差通常按传感器温度—电压转换系数s折合成温度来表示。传感器输出线性化及温度—电压转换系数相同,即测温范围内全程互换,互换精度表示了基准电压值离散程度,即用基准电压值离散值折合成温度值大小来描述整批传感器之间互换程度。一般分为三级:i级互换偏差不大于0.3℃;j级不大于0.5℃;k级不大于1.0℃。
 
线性度的意义:
线性度是描述传感器输出电压值随温度变化线性程度,实际上也就是传感器输出电压工作温度范围内相理想拟合直线最大偏差。一般情况下,其线性度典型值为±0.5%,很显然传感器线性度越高(其值越小),仪表设计就越简单,仪表输入级完全不必采用线性化处理。
 
线性温度传感器是规范化输出的原因:
所谓规范化输出,就是0℃温度点上传感器规定工作条件下,输出电压值仅限于某一小范围内,不互换,其基准电压值仅限定690-710mv之间,这样电路设计时,易于宏观上把握传感器输出情况,桥路设计温度补偿,690-710mv之间考虑,调试中稍加调整即可。而不象普通热敏电阻型号不同,其阻值同,针对不同型号,需进行不同设计计算。线性温度传感器规范化输出,可以使仪表电路实现规范化设计。
 
实际使用温度传感器是否一定要采用恒流源供电分析:
一般情况下是不必要,桥路恒压供电完全可以(参见16项传感器信号处理电路)。这是100μa左右电流条件下,传感器温度—电压转换系数变化量很小,可以给一个实测数量级概念:
 
100μa时 s=-2mv/℃
 
40μa 时 s=-2.1mv/℃
 
1000μa时s=-1.9mv/℃
 
而实际桥路恒压供电时,其电流变化不会有如此大幅度。
 
恒压供电时,传感器负载电阻值确定准则:
恒压供电时,负载电阻接电源与传感器正极之间,信号从传感器正极与负极之间输出,设计电阻值r时,以0c时使传感器工作电流为100μa即可。如传感器基准电压为v(0)(mv),恒压源为vdd(mv),则r=(vdd-v(0))(mv)/0.1(ma)。计算出电阻值r,实际电阻没有这种阻值,可就近阻值选用,对测温精度没有影响。
 
线性温度补偿元件做为电路温度补偿的优越性:
这主要考虑热敏元件输出规范化及温度系数一致性,便于设计。另外,温度系数与晶体管电路中晶体管基、射极电压温度系数相同,做为稳定晶体管电路工作点基极偏流元件是非常合适。而将几只元件串联使用,可以并联电位器方式,电位器调节出不同温度系数,以实现精确温度补偿作用(参见图3)。这种温度系数可调补偿元件,无须繁杂设计,对元件工作电流也无严格要求,这也是这种线性热敏元件用于温度补偿一大优点。
 
民品级与工业级使用中的差异:
主互换精度不同,单台仪表进行大批量群测应用场合,且测试精度要求较高工业环境,建议使用工业级;而一台表仅用一支传感器批量大可靠性要求很高民用产品,建议使用民品级。
 
传感器信号处理电路:
注:该桥路是r2将传感器基准电压值v(0)予以抵消,即调整r2上电压等于传感器基准电压值,这样使桥路输出0c时为0v,然后按-2mv/c输出到放大器或下一级电路。做为控温电路设计,则r2上电压输出到比较器同相端,传感器输出接入比较器反相端,r2选取依控温点电压而定,可用公式计算v(t)=v(0)+s×t到,其中 v(0)是传感器基准电压值(出厂时给定),s为传感器电压温度系数(出厂时给定),t 为控温点温度值。建议r2采用多圈电位器,对控温点进行更准确设定。
 
线性ntc温度传感器是否可取代热敏电阻、热电偶、及其它热电阻分析:
-200~+200c温度范围内完全可以取代,不须对原电路做重大改动,不用对传感器做线性化处理,基准电压值和电压温度系数这两个参数就可以设计电路,这两个参数出厂时厂家给予标定,对同一用户,不同批次产品该参数不变。
 
稳定性的含义:
稳定性是指传感器基准电压值年漂移量,这个漂移量再按温度—电压转换系数折合成温度值,即稳定性=±△v/s/年。线性温度传感器稳定性为±0.05℃/年。这一参数描述了传感器各种使用条件下保持原有特性能力。
 
长线传输对传感器信号是否有影响分析:
应当说影响不大,一般情况下传输距离可达1000米以上。距离再远,可以考虑将传感器输出信号当转换成数字量,这样可以方便实现更远距离传输。
 
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