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温度检测 |
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作者：MAXIM |
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概述
温度检测在工业系统中的主要作用表现在三个方面。
1.温度控制，例如恒温炉、冷冻箱和环境控制系统，根据实测温度判断实施加热/致冷操作。
2.校准各种传感器、振荡器及其它经常随温度变化的元件。由此，必须通过测量温度确保敏感系统元件的精度。
3.保护元件和系统在极端温度下不被损坏。温度检测决定所要采取的相应措施。
热敏电阻、RTD、热电偶和IC是目前应用最广的温度检测技术。每种设计方案都有其自身的优势(例如成本、精度、测温范围)，适合不同的特定应用。以下将逐一讨论这些技术。
除提供业内最全面的专用温度传感器IC外，Maxim还推出了系统与热敏电阻、RTD及热电偶接口所需的任何器件。
温度检测应用的信号链路框图。关于Maxim推荐的温度传感器解决方案的完整信息，
请访问：china.maxim-ic.com/-40+85。
热敏电阻
热敏电阻的阻值取决于温度，一般由半导体材料制成，如金属氧化物陶瓷或聚合物。应用最广泛的热敏电阻是负温度系数电阻，因此，热敏电阻通常称为NTC。同样，也存在正温度系数的热敏电阻(PTC)。
热敏电阻能够测量中等温度范围，通常最高可达+150°C，有些热敏电阻可以测量更高温度；根据精度的不同，成本一般在中、低端；线性度虽然较差，但可预测。热敏电阻可以是探头、表贴封装、裸线等不同形式的专用封装。Maxim提供能够将热敏电阻阻值转换为数字信号的IC，如MAX6682和MAX6698。
热敏电阻往往连接一个或多个固定阻值电阻，形成分压器。分压器输出通常经过ADC进行数字转换。利用查找表或通过计算对热敏电阻的非线性进行修正。
RTD
电阻温度检测器(RTD)是一种阻值随温度变化的电阻。铂是最常见、精度最高的金属丝材料。铂RTD称为Pt-RTD，镍、铜及其它金属亦可用来制造RTD。
RTD具有较宽的测温范围，最高达+750°C，具有较高精度和较好的可重复性，线性度适中。对于Pt-RTD，最常见的电阻值为：0°C时，标称值为100Ω或1kΩ，当然也有其它电阻值。
RTD的信号调理可以非常简单：将RTD与一个精密的固定阻值电阻相连，构成分压器；也可以采用更复杂的信号调理，尤其是在宽温测量中。方案中通常包括：精密电流源、电压基准和高分辨率ADC，如图1所示。利用查找表或通过计算、外部线性化处理电路对传感器进行线性化调整。
图1. RTD信号调理电路简化图
热电偶
热电偶由两种连接在一起的不同金属制成。金属丝之间的触点所产生的电压与温度近似成比例关系。有几种类型的热电偶分别以字母表示。最常见的热电偶为K型热电偶。
热电偶具有非常宽的测温范围，高达+1800°C；成本很低，具体成本与封装有关；具有较低的输出电压，K型热电偶的输出大约为40µV/°C；线性度适中，并可提供适当的复杂信号调理，即冷端补偿和放大。
由于热电偶输出信号较低，利用热电偶测量温度具有一定难度。由于热电偶金属丝连接到信号调理电路的铜线(或引线)时，在触点位置又会产生额外的热电偶，进一步加剧了测量的复杂性。该触点称为冷端(图2所示)。为了利用热电偶准确测量温度，必须在冷端位置增加第二个温度传感器，如图3所示。然后将冷端测量温度与热电偶测量值相叠加。图3所示电路是一种实施方案，其中包括多款精密元件。
图2. 热电偶电路简化图。金属1和金属2之间的结为主热电偶结。
金属1和金属2与测量装置铜线或印制板(PCB)引线的接触位置形成了额外的热电偶。
除图3所示所有元件外，Maxim还提供用于K型热电偶信号调理的器件MAX6674和MAX6675。这些器件简化了设计任务，并显著降低对热电偶输出放大、冷端补偿及数字化处理的元件数量。
图3. 热电偶信号调理电路示例
温度传感器IC
温度传感器IC充分利用了硅PN结所具备的线性度和预知的温度特性等优势。由于这些IC都是采用常规半导体工艺制成的有源电路，可提供各种外形封装。这些器件具备许多功能，例如：数字接口、ADC输入、风扇控制等，这是其它技术无法提供的。温度传感器IC的工作温度范围可低至-55°C、高达+125°C，部分产品的温度上限可以达到+150°C左右。以下介绍了常见的温度传感器IC。
模拟温度传感器
模拟温度传感器IC将温度转换成电压，有些情况下则转换成电流。最简单的电压输出模拟温度传感器只有三个有效端：地、电源输入和信号输出。其它具有增强功能的模拟传感器提供更多的输入或输出，例如比较器或电压基准输出。
模拟温度传感器利用双极型晶体管的温度特性产生与温度成比例的输出电压。对这一电压信号进行放大并施加一定的偏置，可以使传感器输出电压与管芯温度形成适当的变化关系，获得较高的温度测量精度。例如，DS600业内精度最高的模拟温度传感器，在-20°C至+100°C温度范围内保证误差小于±0.5°C。
本地数字温度传感器
将模拟温度传感器与ADC集成在一起即可形成直接输出数字信号的温度传感器。这种器件通常称为数字温度传感器或本地数字温度传感器。“本地”表示传感器测量的是自身温度。这种工作方式相对于远端传感器，后者用于测量外部IC或分立晶体管的温度。
基本的数字温度传感器只是简单地测量温度，温度数据通过各种特定接口读取，接口类型包括：1-Wire®、I²C、PWM和3线。复杂的数字传感器具备更多功能，例如：高温/低温报警输出、设置触发门限的寄存器及EEPROM等。Maxim提供多款本地数字温度传感器，包括DS7505和DS18B20，能够在较宽的温度范围内保证±0.5°C的精度。
远端数字温度传感器
远端数字温度传感器又称为远端传感器或二极管温度传感器。远端传感器用于测量外部晶体管的温度，可以采用分立晶体管，也可以采用集成在另一IC内部的晶体管，如图4所示。微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)及ASIC往往包含一个或多个温度传感器，通常称为温度二极管，与图4所示类似。
图4. 利用远端温度传感器MAX6642监测外部IC管芯的晶体管(或温度二极管)温度
远端温度传感器具有一个重要优势：可以利用单片IC监测多点温度。一个基本的单芯片远端传感器，例如，图4中的MAX6642，可以监测两个温度：自身温度和外部温度。外部位置可以是目标IC的管芯，如图4所示，也可以是被监测电路板的某个温度监测点(采用分立式晶体管)。有些远端传感器可以监测最多7个位置的外部温度。这样的话，包括IC和电路板的温度监测点在内，单芯片能够监测多达8个位置。以MAX6602为例，该温度传感器具有4路远端二极管输入，能够监测1对集成温度二极管的FPGA、2个电路板的温度监测点(采用分立晶体管)以及MAX6602所在位置的电路板温度。MAX6602和MAX6642在测量外部温度二极管时都能达到±1°C的精度。
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(7/26/2011) |
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