工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設計挑戰和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠程傳感器IC③

溫度漂移必須是糾正任何系統溫度變化的一個(gè)因素。溫度將影響從無(wú)源組件（電阻器和電容器）到有源組件（放 大器、數據轉換器、基準電壓源、時(shí)鐘）的所有組件。光學(xué)元件也會(huì )受到溫度漂移的影響，導致改變強度、光譜偏移、靈敏度和噪聲。TI 的高線(xiàn)性度、高精度溫度傳感器可以提供反饋來(lái)糾正精密系統中的溫度影響。

簡(jiǎn)介

現場(chǎng)變送器廣泛用于工廠(chǎng)自動(dòng)化和控制到感應過(guò)程參數，如溫度、壓力和流速?，F場(chǎng)變送器中使用的傳感器主要是模擬傳感器，必須使用模擬前端來(lái)精確采樣。由于現 場(chǎng)變送器的布局方式所引起的工作條件，現場(chǎng)變送器可 能要經(jīng)受寬溫度范圍，因此需要某種形式的溫度補償。

溫度補償系統在傳統上使用精確的溫度傳感器，如鉑電阻溫度檢測器 (RTD)，特別是在需要高精度和長(cháng)使用壽命的工業(yè)應用中。

大多數 RTD 應用使用電流源來(lái)激勵 RTD 元件并在 RTD 上產(chǎn)生電壓差，如圖 1 所示。該電壓與 RTD 的電阻和激勵電流成比例。電壓電勢經(jīng)過(guò)放大，由模數轉換器 (ADC) 轉換為數字輸出，然后饋入微控制器 (MCU)，在其中通過(guò)查找表將數字輸出轉換為溫度。

CJC 系統中的 RTD

熱電偶是覆蓋很大溫度范圍的溫度傳感器件；它們是通 過(guò)連接兩種不同金屬的線(xiàn)材制成的。輸出電壓與熱端和冷端之間的溫差大致成比例。由于熱電偶測量的是溫差， 因此必須知道冷端的溫度才能確定熱端的溫度。該過(guò)程稱(chēng)為冷端補償 (CJC)。

 鉑 RTD 因其高精度而廣泛運用于測量冷端的溫度。圖 2 顯示了使用 RTD 基準的 CJC 熱電偶系統的框圖。

雖然系統框圖看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但有許多因素需要仔細 分析，如噪聲、自發(fā)熱和布局等因素。RTD 對布線(xiàn)也很敏感，因此必須匹配走線(xiàn)長(cháng)度。

通過(guò)使用溫度傳感集成電路（如 TMP117 數字溫度傳感器）替代 RTD，可以降低復雜性和成本。

用 TMP117 數字溫度傳感器替代

RTD TMP117 是一款專(zhuān)為低功耗、高精度應用而設計的數字溫度傳感器。該器件提供 16 位溫度結果且分辨率為0.0078°C；經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)校準的性能精度在 -25°C 至 +50°C 范圍內為 ±0.1°C；在 -55°C 至 +150°C 的整個(gè)工作溫度范圍內為 ±0.3°C，這超過(guò)了 AA 類(lèi) RTD 的精度。

圖 3 顯示了對 TMP117 進(jìn)行的油浴實(shí)驗的結果。該圖顯示出 TMP117 可以滿(mǎn)足 CJC 應用所需的 AA 類(lèi) RTD 的精度。

TMP117 具有關(guān)斷模式：該器件中止當前正在運行的轉換并進(jìn)入低功耗關(guān)斷模式。在此模式下，該器件的電流消耗通常為 250nA，因此可以減輕自發(fā)熱的影響。當由 MCU 觸發(fā)時(shí)，TMP117 可以使用單次觸發(fā)轉換模式執行 15.5ms 的快速溫度轉換，有效電流低至 3.5μA，占空比 為 1Hz。完成單次觸發(fā)轉換后，該器件自動(dòng)返回到低功耗關(guān)斷模式。與 RTD 相比，這簡(jiǎn)化了軟件實(shí)施，無(wú)需校準、外部電路、匹配的走線(xiàn)和開(kāi)爾文連接。

TMP117 還具有快速模式 (400kHz) I2C 通信和偏移寄存 器，可在 MCU 讀取之前自動(dòng)將用戶(hù)定義的偏移應用于測量結果。這些規格使得 TMP117 非常適合滿(mǎn)足現場(chǎng)變 送器的 CJC 應用中的低功耗要求。

如前文所述，TMP117 在精度上與 AA 類(lèi)薄膜 RTD 相當， 而且在 CJC 應用中使用時(shí)的功耗僅為 PT100 RTD 功耗 的幾分之一。

圖 4 是 CJC 系統的框圖，其中用 TMP117 替代了 RTD。 使用 TMP117 的系統無(wú)需額外的組件，如 Σ-Δ ADC、可編程增益放大器和電阻-電容濾波器，因此降低了整體系統成本。同時(shí)，該器件的數字讀數方式減少了復雜的布局注意事項。

有關(guān)現場(chǎng)變送器的高精度溫度校準和補償的更多信息， 請參閱表 1 中的其他資源。

除了制造工藝的差別之外，溫度傳感器還受到各種環(huán)境因素影響。這些因素包括熱應力、機械應力、輻射、濕度以及儲存、運輸和/或組裝過(guò)程中的老化，可能會(huì )在最終系統中實(shí)施后改變器件的固有特性（如精度或可靠性）。

由于本地溫度梯度，溫度傳感器的物理放置方式會(huì )顯著(zhù)影響器件相對于目標熱源的表觀(guān)精度。表觀(guān)精度和內在精度之間存在區別。通過(guò)物理設計（例如，改進(jìn)印刷電路 板 [PCB] 設計的熱傳遞特性）可以提高表觀(guān)精度，但精度是固有的器件特性。此外，連接到溫度傳感器的外部組件 （例如，模數轉換器 [ADC] 和濾波器）可能會(huì )對整體系統性能產(chǎn)生重大影響。環(huán)境和系統電氣因素都可能要求校準才能實(shí)現可追溯的精度。

模擬溫度傳感器（如 TMP236 或負溫度系數 [NTC] 熱敏電阻）需要通過(guò) ADC 將電壓轉換為溫度。由于 ADC 引入的誤差，此附加電路組件會(huì )影響整體系統性能。圖 1 顯示 了一個(gè)熱敏電阻電路示例。

與集成電路 (IC) 溫度傳感器不同，某些熱敏電阻應用需要偏置電阻器，但這會(huì )引入額外的誤差來(lái)源。系統誤差通常表現為系統增益和偏移誤差，但可以使用校準在一定程度上減少此類(lèi)誤差。

對于非線(xiàn)性系統，根據應用可能需要額外的線(xiàn)性化步驟。 圖 2 顯示了一般的三步過(guò)程。請注意，該圖僅顯示了平均值線(xiàn)。實(shí)際的傳感器輸出將具有關(guān)于平均值的統計分布。

圖 2.溫度傳感器校準的通用三步驟。

通過(guò)系統校準實(shí)現可追溯性

系統校準過(guò)程會(huì )將最終組裝的測量系統與已知的可追蹤測量標準（例如，美國國家標準與技術(shù)研究院、美國保險商實(shí)驗室、歐洲標準）進(jìn)行比較，從而建立可量化的測量不確定性。在最好的情況下，系統響應是線(xiàn)性的，只需簡(jiǎn)單的偏移校正或增益和偏移校正就可以輕松校準系統。然而，溫度傳感器不是完全線(xiàn)性的，因此在未經(jīng)線(xiàn)性化的情況下不能輕松校準。通常，非線(xiàn)性系統響應需要在經(jīng)過(guò)增益和偏移校準之前使用查找表進(jìn)行多點(diǎn)線(xiàn)性化。

模擬溫度監測系統

模擬溫度監測系統需要經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化和校準，才能實(shí)現高水平的精度和可追溯性。線(xiàn)性化程度取決于傳感器本身的線(xiàn)性度。與模擬 IC 溫度傳感器（例如，TMP236）相比，NTC 熱敏電阻在線(xiàn)性化時(shí)通常需要更多的系統權衡 （例如，存儲器、中央處理單元周期和靈敏度）。與 NTC 熱敏電阻相比，模擬 IC 溫度傳感器通常在寬溫度范圍內具有更高線(xiàn)性度。無(wú)論如何，還需要額外的校準步驟才能實(shí)現可追溯的系統級精度。

校準方法

出于生產(chǎn)目的，通過(guò)校準統計學(xué)上顯著(zhù)數量的系統（例 如 30 個(gè)）可以確定所有系統整體上的適當校正系數。這種統計方法可以降低生產(chǎn)成本。在某些情況下，在生產(chǎn)測試階段執行的校準方法使用單點(diǎn)室溫校準。在生產(chǎn)測試 階段執行多點(diǎn)校準可以提高系統精度，但更成本更高。因此，多點(diǎn)校準過(guò)程通常應用于生產(chǎn)量相對較低的專(zhuān)用系統。無(wú)論校準方法如何，參考探頭精度和可追溯性都是校準的重要組成部分。

零校準傳感器

與模擬溫度傳感器不同，TMP117 等數字溫度傳感器不需要任何額外的系統線(xiàn)性化或校準即可實(shí)現可追溯的系統精度。如圖 3 所示，數字傳感器實(shí)際上就是芯片上的溫度監測系統。這些可追溯器件在生產(chǎn)中進(jìn)行線(xiàn)性化和校準，大大簡(jiǎn)化了系統實(shí)施。請注意，TMP117 具有偏移寄存器，因此可以校準任何溫度偏移（例如，物理系統溫度梯度產(chǎn)生的偏移）。

TI 溫度傳感器和設計技巧

表 1 列出了某些 TI 溫度傳感器的關(guān)鍵優(yōu)化參數及其折衷。

要了解有關(guān)印刷電路板指南、環(huán)境空氣測量或線(xiàn)性化的 更多信息，請參閱表 2。