傳感器的溫度特性及解決思路

文/王衛(wèi)國(guó) 王進(jìn)升

1 引言

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的不斷發(fā)展，對(duì)傳感器的需求量也在不斷增加。在使用過(guò)程中，由于地域?qū)е碌臏囟炔町悺⒉煌O(shè)備使用的環(huán)境溫度差異、客戶對(duì)設(shè)備或傳感器的使用精度的不同要求等，傳感器的溫度特性顯得特別重要。對(duì)傳感器的溫度特性的處理不當(dāng)，將導(dǎo)致傳感器參數(shù)發(fā)生漂移，輕微情況下導(dǎo)致傳感器精度不合格，嚴(yán)重的將出新檢測(cè)數(shù)據(jù)失真，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備停機(jī)或誤報(bào)警，產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失和導(dǎo)致不良社會(huì)影響。

因此，要求我們的工程技術(shù)人員對(duì)傳感器的溫度特性進(jìn)行必要的分析，熟悉傳感器的溫度特性和成因，對(duì)相關(guān)的溫度補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行必要的研究。

針對(duì)不同的傳感器的工作原理、在不同溫度環(huán)境下的溫度漂移要求、產(chǎn)品的性價(jià)比和客戶的定制要求，進(jìn)行傳感器的溫度補(bǔ)償，就需要采取對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償方式，本文將針對(duì)不同的溫度補(bǔ)償要求，選擇合適的元器件，進(jìn)行一些設(shè)計(jì)和工藝上的改進(jìn)。

2 傳感器的組成和溫度影響因素

2.1 傳感器的組成

傳感器一般是由傳感芯片、恒流源或恒壓源功能塊、信號(hào)放大部分、輸出電路等組成，也可以包括有單片機(jī)處理部分、無(wú)線通訊部分和其他關(guān)聯(lián)的功能模塊。如圖1所示。

2.2 影響傳感器的溫度特性的因素

影響傳感器溫度特性的因素，主要是如下幾個(gè)方面：器件的選擇，包含傳感器的傳感芯片、二極管、三極管和集成電路等；電路設(shè)計(jì)；溫度補(bǔ)償技術(shù)等。

3 器件選擇

3.1 傳感器芯片

目前傳感器的芯片主要是國(guó)外廠家提供，或者是進(jìn)口芯片由國(guó)內(nèi)封裝，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的傳感器芯片，大都是用于低端的產(chǎn)品，可靠性和溫度特性比較差。其中，為軍方定制的芯片，其質(zhì)量是值得信任的，不過(guò)價(jià)格是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般民用品和工業(yè)品的接受程度。

壓力傳感器有陶瓷芯片、擴(kuò)散硅芯片等，在工作溫度范圍比較大的情況下，選擇陶瓷壓力傳感器芯片，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償0～70℃，工作溫度范圍高達(dá)-40～135℃。在常溫使用環(huán)境下且溫度范圍不大，選擇擴(kuò)散硅壓力芯片，由于擴(kuò)散硅壓力芯片的靈敏度高，后續(xù)處理的運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)小，因而溫度漂移比較小。

霍爾傳感器芯片有銻化銦、砷化鎵等，銻化銦芯片典型工作電流為10mA，砷化鎵芯片典型工作電流為2mA。對(duì)傳感器芯片而言，所需的工作電流越低越好。電流大了導(dǎo)致的溫升，會(huì)造成傳感器的參數(shù)漂移。銻化銦芯片一般是恒流供電，使用于開(kāi)環(huán)工作的傳感器中，砷化鎵芯片一般是恒壓供電，使用于有負(fù)反饋回路的閉環(huán)工作的傳感器中。閉環(huán)傳感器的穩(wěn)定性和溫度特性比開(kāi)環(huán)傳感器的更好。

溫度傳感器芯片有Pt100、Pt1000、熱電偶等，Pt100鉑電阻測(cè)溫范圍可以到-250～850℃，Pt1000鉑電阻溫度的采集范圍可以在-200℃～+200℃，熱電偶溫度的采集范圍比較大，一般是-200℃～1300℃，特殊情況下可達(dá)-270℃～2800℃。其中，Pt100分為A級(jí)和B級(jí)，A級(jí)精度高于B級(jí)。A級(jí)精度為（0.15+0.002*|t|）攝氏度；B級(jí)精度為（0.30+0.005*|t|）攝氏度，其中|t|為實(shí)際溫度的絕對(duì)值。

3.2 二、三極管

傳感器中使用的二極管，主要是硅管，比如1N4148、1N4007等，也會(huì)用到快恢復(fù)二級(jí)管HER101～107等，以及其他一些型號(hào)的二極管。

溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流將約增加一倍。溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF(VD)大約減小2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。

傳感器中使用的三極管，比如9012、9013、8550、8050、3904、3906等，根據(jù)實(shí)際使用的功率，以及C、E間的電壓值進(jìn)行封裝選擇和型號(hào)選擇。

在傳感器中的三極管，與溫度特性有關(guān)是放大倍數(shù)β和發(fā)射結(jié)電壓Ube。三極管的β隨溫度的升高將增大，溫度每上升1℃，β值約增大0.5～1%。其結(jié)果是在相同的Ib情況下，集電極電流Ic隨溫度上升而增大。和二極管的正向特性一樣，溫度上升1℃，發(fā)射結(jié)電壓Ube將下降2～2.5mV。

二、三級(jí)管的溫度特性，一方面對(duì)傳感器的參數(shù)溫度漂移產(chǎn)生負(fù)面影響，一方面也可以利用它們的特性對(duì)傳感器的溫度漂移進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。具體的補(bǔ)償方法，在下文的電路設(shè)計(jì)中會(huì)有涉及。

3.3 集成電路

常用的集成電路，運(yùn)算放大器包含741系列、358系列、2904等。選擇運(yùn)算放大器的參數(shù)，主要有封裝形式、品牌和型號(hào)尾綴，本文將傳感器設(shè)計(jì)中常用的幾款集成電路的溫度特性列表如表1、表2和表3所示。

傳感器的溫度范圍分為0℃～70℃（民用級(jí)）、-40℃～85℃（工業(yè)級(jí)）、-40～125℃（汽車(chē)工業(yè)級(jí)）、-55℃～150℃（軍品級(jí)）。如前述參數(shù)所示，根據(jù)客戶的使用環(huán)境和精度要求，可以選擇合適的集成電路，并注意在高溫下使用的散熱處理。

一般情況下，根據(jù)客戶的使用環(huán)境，對(duì)運(yùn)算放大器等集成電路進(jìn)行選擇。根據(jù)集成電路的PDF文件，詳細(xì)查看電路的工作溫度和存儲(chǔ)溫度，同時(shí)考慮電路的帶負(fù)載能力和封裝，選擇電路的型號(hào)，在樣品或樣機(jī)測(cè)試過(guò)程中，注意電路的溫升情況，以及在使用環(huán)境溫度的上、下限條件下測(cè)試傳感器的溫度漂移，綜合上述因數(shù)，進(jìn)行合理的器件選擇。

表1：741系列溫度特性

表2：158、258、358的溫度特性

表3：2904的溫度特性

圖1：傳感器的組成

圖2：傳感器芯片恒流供電電路的兩種工作方式

4 電路設(shè)計(jì)

4.1 線路設(shè)計(jì)

傳感器芯片是有源芯片，需要提供穩(wěn)定的工作電源。一種是提供恒流電源，如圖2所示，一種是提供恒壓電源，比如用78系列的三端穩(wěn)壓器，或者用可調(diào)節(jié)集成電路317提供。使用IC1集成電路，并通過(guò)穩(wěn)壓管ZW1控制傳感器芯片恒流源的，恒流源的電流大小，取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值的溫度穩(wěn)定性、運(yùn)算放大器的溫度特性和R2的溫度穩(wěn)定性；使用Q1功率三極管及ZW2穩(wěn)壓管等組成的傳感器芯片恒流電路，恒流電流的大小主要取決于ZW2穩(wěn)壓值、R4電阻值等，其中恒流電流的溫度特性，取決于ZW2、Q1等的溫度穩(wěn)定性，并通過(guò)D1的溫度特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可通過(guò)選擇D1的材料特性，比如選擇不同的硅管、鍺管或肖特基管等來(lái)進(jìn)行合理的溫度補(bǔ)償。

4.2 工藝設(shè)計(jì)

圖3：分段補(bǔ)償電路

傳感器的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，從工序、設(shè)備和測(cè)試方法等方面控制溫度的穩(wěn)定性。焊接工序，采用SMT和波峰焊工藝，使用SMT器件，可以減小器件的體積，增加PCB板上的空間，便于空氣的流動(dòng)，方便器件的散熱，減低器件的溫升，利于傳感器的溫度特性的穩(wěn)定。在PCB板上將發(fā)熱的器件進(jìn)行合理的放置，方便散熱的同時(shí)，也將發(fā)熱器件分開(kāi)放置，將傳感器的整體溫升控制在合理的范圍內(nèi)。采用溫度參數(shù)篩選的方式，將傳感器放置于高低溫箱中，在高溫、低溫和常溫下進(jìn)行測(cè)試，由于器件參數(shù)的離散性，將其中溫度參數(shù)漂移大的篩選出來(lái)，通過(guò)器件補(bǔ)償方式進(jìn)行調(diào)整。這種溫度補(bǔ)償方式，樣品制作和小批量比較合適，大批量生產(chǎn)，就顯得效率比較低，以及補(bǔ)償?shù)木炔桓摺?/p>

4.3 原理設(shè)計(jì)

傳感器的原理設(shè)計(jì)，一般情況下分為開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)和閉環(huán)設(shè)計(jì)。在溫度穩(wěn)定性方面，閉環(huán)設(shè)計(jì)的效果更好，閉環(huán)設(shè)計(jì)的傳感器，能對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)反饋到控制處理部分，從而對(duì)系統(tǒng)的控制產(chǎn)生影響，由于能夠通過(guò)反饋回路進(jìn)行參數(shù)修正，因此，對(duì)于回路中出現(xiàn)的擾動(dòng)能夠進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，回路中的器件溫度特性漂移就可以通過(guò)回路的自動(dòng)修正來(lái)修正。

5 利用單片機(jī)軟件編程對(duì)傳感器的溫度漂移進(jìn)行參數(shù)修正

通過(guò)硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度誤差補(bǔ)償存在器件固有的不穩(wěn)定性、調(diào)試?yán)щy、通用性差、成本高、精度低等缺點(diǎn)。

前述溫度補(bǔ)償或修正的方法，由于器件溫度的非線性特性，因此，一般的補(bǔ)償也是在一定溫度范圍內(nèi)，無(wú)法做到全溫區(qū)覆蓋；傳感器的溫度特性，是有組成傳感器回路中的各個(gè)器件的溫度特性的綜合，因此，傳感器的溫度曲線，是不規(guī)則的，無(wú)法用某一種補(bǔ)償方法徹底解決。而這些缺陷，用單片機(jī)處理的軟件補(bǔ)償就方便多了。

5.1 單片機(jī)軟件補(bǔ)償

利用單片機(jī)為核心，配接合適的傳感器芯片和器件，用溫度傳感器Pt100等測(cè)溫，測(cè)溫元件通常是安裝在傳感器內(nèi)靠近敏感元件的地方，用來(lái)測(cè)量傳感點(diǎn)的環(huán)境溫度，該溫度信號(hào)作為采集信號(hào)的一路送入單片機(jī)，等信號(hào)采樣結(jié)束，單片機(jī)運(yùn)行溫度誤差補(bǔ)償程序，補(bǔ)償傳感器信號(hào)的溫度誤差。

這種軟件設(shè)計(jì)方式，無(wú)需手動(dòng)設(shè)置，就可以保證對(duì)溫度的變化做出及時(shí)的反應(yīng)，并且能夠找到相應(yīng)的零點(diǎn)溫漂電壓，從而確保單片機(jī)輸出的電壓是實(shí)時(shí)更新過(guò)的修正后的電壓值。

利用這種軟件溫度補(bǔ)償方法，能夠解決硬件電路補(bǔ)償方法的一些問(wèn)題，提高了調(diào)試速度，提高了測(cè)試精度，但是，該方法計(jì)算復(fù)雜，成本高，不適用于量產(chǎn)化的民用傳感器、小型企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等情況。

5.2 開(kāi)關(guān)量輸出的傳感器進(jìn)行分段溫度補(bǔ)償

基于硬件溫度補(bǔ)償和軟件溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)，提出一種對(duì)溫度進(jìn)行分段補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ摲椒ńY(jié)合軟件和硬件補(bǔ)償，不但解決了在不同溫度范圍下的溫度補(bǔ)償問(wèn)題，而且計(jì)算簡(jiǎn)單，成本較低，性價(jià)比高，不管是生產(chǎn)制造還是現(xiàn)場(chǎng)使用，都是非常方便，實(shí)用性和可靠性比較高。

因?yàn)殚_(kāi)關(guān)量輸出的傳感器，需要一個(gè)參考點(diǎn)作為與傳感器芯片采集信號(hào)的比較電壓，所以通過(guò)設(shè)定不同的比較電壓值，對(duì)應(yīng)不同的溫度區(qū)域。通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)的環(huán)境溫度，選擇不同的參考電壓，用來(lái)抵消傳感器芯片溫度產(chǎn)生的漂移，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

如圖3所示，使用溫度傳感器（NTC1）對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，利用單片機(jī)的邏輯判斷，對(duì)檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行判斷，設(shè)定一個(gè)上限閾值，一個(gè)下限閾值，如果溫度偏高，信號(hào)大于上限值，則將傳感器芯片信號(hào)與R/R5分壓信號(hào)進(jìn)行比較；如果溫度較低，信號(hào)小于下限值，則將傳感器芯片信號(hào)與R3/R7分壓信號(hào)進(jìn)行比較；如果信號(hào)處于兩個(gè)限值之間，則將傳感器芯片信號(hào)與R2/R6分壓信號(hào)進(jìn)行比較。如果溫度分檔更多、更精確，以此類(lèi)推。單片機(jī)將比較結(jié)果，用于控制輸出端的Q1功率管，并進(jìn)而對(duì)后續(xù)的繼電器或單片機(jī)等實(shí)施控制。

利用分段溫度補(bǔ)償對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，能夠做到對(duì)不同溫度狀態(tài)下產(chǎn)品的溫度特性補(bǔ)償，設(shè)計(jì)和操作上也比較方便，在現(xiàn)場(chǎng)使用上也避免了不同溫度狀態(tài)下的故障損失。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)傳感器的器件、工藝和設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析，理解傳感器的參數(shù)漂移與環(huán)境溫度的關(guān)系，并從硬件選擇方面對(duì)傳感器參數(shù)溫度漂移的影響，提出部分解決思路和方法。從原理設(shè)計(jì)方面進(jìn)行比較，根據(jù)精度要求和產(chǎn)品成本，選擇合適的設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，特別是考慮成本和效果，提出了多段溫度補(bǔ)償法。本文的傳感器溫度特性分析和提出的解決思路，由于傳感器的種類(lèi)繁多，使用環(huán)境要求相差較大，因此，也只能應(yīng)用于部分傳感器的溫度參數(shù)改進(jìn)。提出的解決思路只是提供了一種解決問(wèn)題的方法，供各位工程師參考。