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精确温度传感器部分知识简介

时间:2019-03-07 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
很少有测量与温度一样普遍。虽然有时它是主要的兴趣,但温度知识通常是用于补偿其对其他测量的影响的参数。射频放大器,混频器和其他部件是温度相关电路的例子; 光电二极管和雪崩光电二极管是另一种。在更具挑战性的应用中,高精度和动态范围都是温度测量所需的。
 
使用热敏电阻的桥接电路可以提供高精度,但是限于小的动态范围。我们在本文中描述的简单分压电路使设计工程师能够以高精度实现各种温度测量,在0.2°C至0.35°C范围内产生三个sigma(3σ)误差,如图1。为了获得更好的性能,您可以校准现成的热敏电阻或由制造商完成此操作,以实现毫开尔文(mK)范围内的精度。低元件数,宽动态范围和高精度的组合使该电路适用于广泛的目标应用。选择小型热敏电阻也会导致测量滞后,因为它们的热质量较低,这是快速变化的热环境中的一个重要特征。
 
图1提出了我们简单电路的3σ绝对精度。该电路的原始应用是为基于光电二极管的仪器提供温度补偿信息 - GOES-R X射线光谱仪,用于测量太阳耀斑的强度和位置,以及太阳能最小背景X射线辐照度。精确测量数十毫微安范围内的电流。在此应用中,跟踪温度相对变化的能力比绝对精度更重要。我们发现电路的相对精度比绝对精度好大约十倍(0.04°C)。科罗拉多大学大气空间物理实验室承包低噪音,低功率电荷静电计ASIC开发用于测量10 fA分辨率的光电流,范围从50 fA到10 nA。在测试期间,发现静电计放大器产生的偏移电压与仪器中光电二极管的指数温度相关的分流电阻相结合,产生了电路静态电流的显着变化。图2显示了基线电流和温度之间的关系,由于对数垂直轴,它看起来是线性的。
 

图1.使用图3所示电路的蒙特卡罗分析估算温度时的3σ误差界限
 

图2. LASP X射线光谱仪仪器的指数光电二极管基线电流与温度的关系
 
 

图3.温度监控电路的原理图


监测温度的电路如图3所示。使用串联电阻R S和热敏电阻R T,输出电压由公式1给出:


哪里:
V ADC = 输出电压
V I  = 输入电压
R S. = 一个串联电阻
R T. = 一个热敏电阻
R F,R G = 获得增益G的设定电阻,由公式1a给出:



为了获得最大线性度,我们需要电压与温度的变化率T对于最。═ min)和最大(T max)所需的工作温度都是相等的。也就是说,对于测量范围的T = T max和T = T min,等式2必须为真:


产生最佳线性化的R S值由公式3所示的二阶方程求解:


哪里:
T T 1 = 最低电路工作温度
R T 1 = T T 1时的 热敏电阻
T T 3 = 最高电路工作温度
R T 3 = T T 3时的 热敏电阻

图4、工作温度限制为±32°C时的热敏电阻温度和电阻值
温度(°C) 热敏电阻(KΩ)
-32 151.2
-31 143
0 29.49
31 7.88
32 7.58

 
使用最接近T T 1和T T 3的两个值,可以使用热敏电阻器对温度的表来求解等式3中的导数。在±32°C的极限,从图4我们得到以下结果:



这些值代入公式3,值[R 小号,让我们最好线性化电阻是- [R 小号 = 26.459KΩ。另一种更简单的方法是选择R S = R TO,其中R TO是所需工作温度范围中间的热敏电阻。例如,T = 0°C时的R TO为29.49KΩ。这两种方法的结果如图5所示。对于温度操作的两个极限和dV / dT,明确规定了电压与温度的变化率在极端温度下,值非常接近相同的值。这意味着我们正在获得尽可能接近线性的电路响应。


图5.使用最大线性度(蓝色)的R S值生成的电压与温度关系曲线,并使用R S =中点R 热敏电阻或R 热敏电阻在0°C(黑线

在提供良好的线性化的同时,结果不会跨越V MIN到V MAX的期望范围。但是,如果我们可以选择增益和偏移,我们就可以实现这一目标。第一步是找到V ø为? ? = - [R ? 1(最低温度和最高的阻力)和- [R ? = - [R ? 3使用(最高温度和最低电阻)方程4和5:




哪里:
V IN = 电路输入电压(见图3)
R S. = 电路中的串联输入电阻(见图3)
V OMAX = 最大。分压器电路电压,即热敏电阻上的最低温度和最高电阻的电压,产生最大电压。电路电压
V OMIN = 分钟。分压器电路电压,它是热敏电阻上最高温度和最低电阻的电压,产生最小值。电路电压

现在将电路的最小和最大电压(分别为V ADCMIN和V ADCMAX)设置为温度限制。使V ADCMIN = 0且V ADCMAX = V MAXADC,这是最大值。使用增益G和偏移电压V OFF的ADC电压,如公式6和7所示:




通过替换,我们得到方程8和9:





公式10给出了电路的输出电压:



图6示出了电压与温度特性用于与电路V ADCMAX = 4.096,V IN = 4.096,g ^ = 1.5973,V OFF从±32°C = -1.5099,和温度范围。该线接近线性。接近恒定的斜率dV / dT意味着ADC的输出将在计数与温度dN / dT之间具有接近恒定的变化,从而确保在所选温度范围内几乎相等的灵敏度。此时,我们可以分析由于曲线中的非线性量引起的误差,假设电压遵循等式V = cT + V O。或者,因为有两个拐点,我们可以通过将三阶多项式拟合到结果来最小化误差。然而,更好的选择是采用等式11中所示的Steihnhart-Hart方程(SH-H)。


图6.使用电阻分压器产生的电压与温度关系图,增益和偏移量范围为0至4.096 V



SH-H的使用包括在给定测量电压V ADC的情况下求解热敏电阻R T的公式10 ,并将该值插入公式11以求解温度。R T使用公式12计算:


使用公式13,使用所需热敏电阻的电阻与温度表中的三个点来求解SH-H中的系数a,b和c:




哪里:
R T 1,R T 2,R T 3 = 在温度T 1,T 2,T 3下的热敏电阻
T 1,T 2,T 3            = 温度以开尔文为单位。


我们不会在这里讨论T 1,T 2和T 3的最佳选择。相反,我们的方法是选择T 1作为要测量的最低温度,T 3作为要测量的最高温度,并使T 2成为T 1和T 3的中点。
 
图7显示使用这两种方法估算温度在±32°C之间的误差。使用SH-H估算温度范围内的温度时,蓝线是误差; 最大误差为0.012°C。当我们使用三阶多项式拟合估计温度时,绿线是误差; 最大误差为0.21°C。当我们比较两个结果时,我们发现使用SH-H的误差与使用多项式拟合的误差相比小18.6倍。使用七阶多项式拟合比在±30°C范围内使用SH-H稍微好一点; 然而,如果我们将温度范围增加到±50°C,SH-H方程再次可以更好地估算温度。因此,通过使用SH-H,我们不再需要确定在大范围温度下获得精确温度测量所需的多项式阶数。
 

图7.使用Steinhart-Hart方程(蓝线)和三阶多项式(绿线)估计的温度误差