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[導讀]本文將介紹三種最常用的溫度測量方法:熱敏電阻、熱電偶和紅外(IR)技術。

隨著我們周圍的世界自動化程度越來越高,各種數據的感測就變得越來越重要。雖然我們能夠檢測到比以往更多的參數,但準確感測溫度水平的能力仍然是電子設計中最重要的任務之一。無論是我們生活的環境,我們烹飪食物的烤箱,還是我們自己的體溫,溫度信息在我們生活的幾乎各個方面都很有價值。在工業應用中,監控和計算設備的溫度可以通過保持最佳工作溫度來實現早期故障檢測或更長的工作壽命。測量溫度的方法有好多種,每種方法都各有所長,分別適合不同的應用場景。本文將介紹三種最常用的溫度測量方法:熱敏電阻、熱電偶和紅外(IR)技術。

熱敏電阻

熱敏電阻也是一種電阻,其電阻值可隨著周圍環境溫度而變化,這種變化可以來自環境空氣或與其接觸的表面(或者甚至可能嵌入其中)。這些簡單的裝置由金屬氧化物制成,通過將金屬氧化物壓入方便易用的珠子、圓盤或圓柱體,然后用環氧樹脂或玻璃封裝。根據所選擇的材料不同,其電阻值可以隨溫度增加,即正溫度系數(PTC)情況,或者歲溫度上升而阻值減小,即負溫度系數(NTC)情況。在溫度測量應用中,NTC類型通常更受歡迎的組件,而PTC類型通常用作熱熔絲(thermal fuses)。

從熱敏電阻正面的角度看,它使用起來非常簡單,購買成本低廉,本身堅固耐用,并能夠以可預測的方式響應溫度變化。雖然電阻變化是非線性的,但這種變化能夠遵循為特定型號熱敏電阻定義的曲線。熱敏電阻也非常靈敏和精確,而且具有很高的穩定性。然而,它們不適合測量范圍較寬的溫度變化,并且通常僅在預期的“基礎”溫度附近相當窄的范圍內工作,再加上其響應時間較慢,因而使其應用受到一些限制。

圖1:NTC熱敏電阻曲線示例,這里顯示了電阻值和溫度之間的關系。

圖1:NTC熱敏電阻曲線示例,這里顯示了電阻值和溫度之間的關系。

熱敏電阻的應用方式多種多樣,可以用來測量環境溫度,也能夠粘合到表面或甚至嵌入到物體(例如散熱器)內部以測量那里的溫度。當粘合到物體表面或嵌入到物體內部時,熱敏電阻是一種侵入式測量形式,這意味著它們的存在會對被測溫度產生影響。在實際應用中,熱敏電阻非常小,熱質量(thermal mass)最小,在大多數應用中這很少成為問題。

熱敏電阻可以是引線型,或者更常見的是表面貼裝器件(SMD),例如村田制作所(Murata)的NCU15XH103D60RC,這是一款1.0mm x 0.5mm封裝大小的NTC元件。該熱敏電阻的標稱電阻為10kΩ,工作溫度在-40℃~+125℃。它適用于非常廣泛的應用,尤其適用于電氣/電子電路和溫度敏感元件(如晶體管,IC和振蕩器)等的溫度補償。隨著電池供電技術的發展,這種類型的熱敏電阻被用于監控可充電電池組在運行期間以及充電時的溫度。

圖2:村田制作所的NCU15XH103D60RC NTC熱敏電阻。

圖2:村田制作所的NCU15XH103D60RC NTC熱敏電阻。

熱電偶

熱電偶基本上包括由不同金屬制成的兩根電線,它們在一端連接在一起而在另一端分開。連接端的溫度變化(稱為“熱”結)會在分開端(“冷”結)引起微小電壓,其值與兩個結之間的溫差成比例。熱電偶測量的是溫度差值,因此必須知道冷端溫度才可以計算熱結的溫度。順便說一句,上述提到的術語“熱”結和“冷”結是業界的習慣命名法,實際上熱結的溫度可能低于冷結的溫度。一些人已經開始將連接端表示為“測量值”和“參考值”,以避免這種潛在的混淆。

熱電偶的溫度特征由所使用的電線決定,或者具體說,由制成電線的材料決定。每個熱電偶都有一個字母名稱,其中J,K和T最常見。 K型由兩種鎳合金(Chromel和Alumel)制成,其中包括鉻、鋁、錳和硅。差分溫度與冷端電壓之間的關系由測量得到的塞貝克系數(Seebeck coefficient)確定(mV/℃)。 R和S型熱電偶具有較低塞貝克系數(<10),而更常見的熱電偶類型(J,K,T和E)具有較高的塞貝克系數(> 40)。

熱電偶的最大優勢是可以覆蓋非常寬的溫度范圍(通常為-200℃~+2500℃),因此可用于從航空電子設備到低溫設備等多種環境。它們非常牢固,不受沖擊或振動的影響。熱電偶作為一種被動設備,它們本身也是安全的,因此可以部署在具有潛在爆炸性氣體的危險環境。熱電偶具有較低的熱質量,這意味著它們能夠快速響應快速變化的溫度,通常不到一秒鐘。但它們并非理想適用于所有應用,其中一個最大的挑戰是產生的信號強度非常低,可能需要先進的信號調節來增強信噪比。由于熱電偶是長導線,非常容易受到周圍干擾影響,這可以通過將導線扭絞在一起或通過施加屏蔽層來降低干擾。而且這些導線也可能容易產生腐蝕。熱電偶的另一個主要缺點是準確度稍差(通常誤差在±1℃左右),這在測量相對較低的溫度時是一個非常大的問題,但在測量諸如噴氣發動機或火焰之類的高溫時則完全足夠。此外,熱電偶的輸出不是線性,但J和K型熱電偶確實具有顯著的(幾乎)線性區域,這是它們非常受歡迎的一個原因。

一些設計工程師可能希望利用熱電偶靈活性,但又不必進行頗具挑戰性的信號處理,此時他們可以使用Microchip的MCP9600/L00。該器件可直接連接到熱電偶(K,J,T,N,S,E,B或R型),并為熱電偶電壓提供所有必要的信號調理和非線性校正,通過100kHz雙線I2C總線輸出溫度值。該器件適用于基于物聯網的電池供電應用,工作電流僅為300μA,在關斷模式下僅消耗2μA電流。每個單元內置四個寄存器,可以設置單獨的溫度警報。

紅外溫度測量

熱敏電阻和熱電偶都是接觸式測量,這意味著它們必須與被測量物體直接接觸,在某些情況下,這可能不是很方便,而在其他某些情況下可能會影響測量結果,因為測量探頭可以在其中散熱。紅外溫度感測由于具備準確、可靠且堅固等特點,在醫療和工業等應用中越來越受歡迎,其工作原理是基于每一個物體都會發出熱輻射,并根據Stefan-Boltzmann定律(黑體每單位表面積輻射的能量與其溫度的四次方成正比)可以得到測量溫度。

熱電堆傳感器采用一種薄的熱隔離膜,連接到多個串聯的微型熱電偶。由于膜具有低熱質量,可以快速加熱 ,并隨后進行測量。參考熱敏電阻能夠確定冷端的溫度,從而可以生成絕對溫度。為了使傳感器小型化并應用于智能手機等便攜式設備,經常采用MEMS架構。

采用這項技術的一款最新器件是Melexis公司的非接觸式MLX90632微型紅外傳感器,該器件在出廠時已經過校準,適用于環境溫度在-20℃~+85℃,被測物體溫度在-20℃~+200℃的應用,測量的溫度是傳感器50°視場(FoV)內所有物體溫度的平均值。該款Melexis器件集成有復雜的補償算法,以確保始終能獲得準確的測量結果。超小型傳感器包含一個用于測量物體能量的熱電堆,以及一個跟蹤傳感器本身溫度水平的傳感器元件。兩個讀數經過放大、數字化和數字濾波后被存儲在RAM,然后通過I2C通信接口提供給更高級的系統(如微控制器)。

總結

我們需要測量的溫度可能只是一個基本參數,但也是最關鍵的參數之一。溫度在控制我們的環境,保持機器設備的最佳性能,以及醫療保健應用等方面都非常重要。本文介紹的用于溫度測量的各種方法(包括每種技術的優點和不足)和器件應該有助于工程師為其具體應用選擇最佳方案。

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