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因素。溫度將影響從無源組件（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、時鐘）的所有組件。光學元件也會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 的高線性度、高精度溫度傳感器可以提供反饋來糾正精密系統中的溫度影響。

簡介

現場變送器廣泛用于工廠自動化和控制到感應過程參數，如溫度、壓力和流速。現場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精確采樣。由于現 場變送器的布局方式所引起的工作條件，現場變送器可 能要經受寬溫度范圍，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使用壽命的工業應用中。

大多數 RTD 應用使用電流源來激勵 RTD 元件并在 RTD 上產生電壓差，如圖 1 所示。該電壓與 RTD 的電阻和激勵電流成比例。電壓電勢經過放大，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 過連接兩種不同金屬的線材制成的。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。該過程稱為冷端補償 (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非常簡單，但有許多因素需要仔細 分析，如噪聲、自發熱和布局等因素。RTD 對布線也很敏感，因此必須匹配走線長度。

通過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；經過工廠校準的性能精度在 -25°C 至 +50°C 范圍內為 ±0.1°C；在 -55°C 至 +150°C 的整個工作溫度范圍內為 ±0.3°C，這超過了 AA 類 RTD 的精度。

圖 3 顯示了對 TMP117 進行的油浴實驗的結果。該圖顯示出 TMP117 可以滿足 CJC 應用所需的 AA 類 RTD 的精度。

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

TMP117 還具有快速模式 (400kHz) I2C 通信和偏移寄存 器，可在 MCU 讀取之前自動將用戶定義的偏移應用于測量結果。這些規格使得 TMP117 非常適合滿足現場變 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 類薄膜 RTD 相當， 而且在 CJC 應用中使用時的功耗僅為 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，該器件的數字讀數方式減少了復雜的布局注意事項。

有關現場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/或組裝過程中的老化，可能會在最終系統中實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顯著影響器件相對于目標熱源的表觀精度。表觀精度和內在精度之間存在區別。通過物理設計（例如，改進印刷電路 板 [PCB] 設計的熱傳遞特性）可以提高表觀精度，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）可能會對整體系統性能產生重大影響。環境和系統電氣因素都可能要求校準才能實現可追溯的精度。

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

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，但這會引入額外的誤差來源。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誤差。

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

圖 2.溫度傳感器校準的通用三步驟。

通過系統校準實現可追溯性

系統校準過程會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研究院、美國保險商實驗室、歐洲標準）進行比較，從而建立可量化的測量不確定性。在最好的情況下，系統響應是線性的，只需簡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性的，因此在未經線性化的情況下不能輕松校準。通常，非線性系統響應需要在經過增益和偏移校準之前使用查找表進行多點線性化。

模擬溫度監測系統

模擬溫度監測系統需要經過線性化和校準，才能實現高水平的精度和可追溯性。線性化程度取決于傳感器本身的線性度。與模擬 IC 溫度傳感器（例如，TMP236）相比，NTC 熱敏電阻在線性化時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性度。無論如何，還需要額外的校準步驟才能實現可追溯的系統級精度。

校準方法

出于生產目的，通過校準統計學上顯著數量的系統（例 如 30 個）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成本。在某些情況下，在生產測試階段執行的校準方法使用單點室溫校準。在生產測試 階段執行多點校準可以提高系統精度，但更成本更高。因此，多點校準過程通常應用于生產量相對較低的專用系統。無論校準方法如何，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性化或校準即可實現可追溯的系統精度。如圖 3 所示，數字傳感器實際上就是芯片上的溫度監測系統。這些可追溯器件在生產中進行線性化和校準，大大簡化了系統實施。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 溫度傳感器的關鍵優化參數及其折衷。

要了解有關印刷電路板指南、環境空氣測量或線性化的 更多信息，請參閱表 2。