高精度的温度传感电路设计

在大多数的工业用测量控制监测体系中，温度测量传感电路的设计都是一个重要的组成部分。它广泛应用于很多特定的环境控制处理计算中。一些最常见的传感器可以用于测量绝对温度或者温度变化，例如是电阻式的温度检测器(RTD)、二极管传感器、热敏电阻传感器以及热电偶传感器等等。

在这篇文章中，我们将介绍使用这些传感器进行精密温度测量电路设计的要点。温度传感电路设计包括：正确选择合适的温度感应器以及必要的信号调节器和数字化器件产品，以便更有效地、更准确地测量温度数值。

在我们介绍温度测量系统之前,我们先来看看常见的传统温度传感器设计电路的优点及缺点。

传统热电偶传感器设计电路

热电偶传感器工作的原理是当温度不同时，两种不同成分的金属的接合点之间产生电压（或称为电动势）。一个热偶由两种不同的金属端连接而成，相连的其中一端被称为热端。另一端则被称为冷端，共同连接到温度测试电路。热端与冷端之间由于温差的差异而导致产生电动势。这种电动势可以用测量电路测量得到。图1显示的是一个基本的热电偶传感器电路。

图1：基本的热电偶传感器设计电路

热电偶传感器产生的实际电压取决于相对温度之差以及被用于组成热电偶传感器的不同的金属类型。热电偶的灵敏度和温度测量范围同样与所使用的两种金属有很大关系。在市面上有许多类型的热电偶传感器出售，它们可以根据所使用的不同金属冷热端来区分：例如，B型(铂/铑)、J型(铁/镍铜合金)、和K型(镍铬合金/铝镍合金)。大家可以根据实际应用场合选择合适的热电偶传感器器件。

热电偶传感器的主要优势是他们的鲁棒性（在异常和危险情况下系统恢复正常运转的特性）、宽温范围（零下270摄氏度到零上3000摄氏度）、响应快、封装种类多、成本较低。而它们的局限主要是精度较低和噪声较大。

电阻式温度检测传感器设计电路

电阻式温度检测传感器（RTD）的工作原理是：由于每种金属在不同温度下具有特定的和独特的电阻率特性，所以当温度变化时检测金属电阻的变化，从而得到温度测量数值。金属的电阻是和它自己的长度成正比、和截面积成反比的。这个比例数值取决于传感器本身金属材质的电阻率大小。

为了更精确的测量温度，RTD构造里金属材料的选择就成了一个比较关键的考虑因素。用于电阻式温度检测传感器的金属主要有铂、镍以及铜。在这三种材料中，金属铂制成的电阻式温度检测传感器是最精确、最可靠的。它也具有不易被污染的环境等因素影响，可保证长期稳定性和可重复性。这些电阻式温度检测传感器主要优点还有宽温范围(零下250摄氏度到零上900摄氏度)、高精度、和线性等等。其局限性则包括成本较高和响应略慢等等。

热敏电阻传感器设计电路

和电阻式温度检测传感器RTD相类似，热敏电阻传感器的工作原理也是随温度的变化，电阻阻值相应变化。只是，一般的热敏电阻都拥有一个可计算的负温度系数。热敏电阻传感器的主要优势是它们的价格低并且精度可以接受。它们的缺点是温度范围非线性。然而，鉴于当今许多微控制器芯片上都有片上闪存，可以建立一个可查询纠错的数据表来减少非线性问题带来的精度影响范围。如果需要测量的温度范围在零下100摄氏度到零上300摄氏度之内，则热敏电阻传感器仍可以作为比较可靠的和比较精密的温度测量设备。

温度测量系统

在温度监测系统中，传感器必须把温度转换成电信号，经过信号调节阶段(信号处理取决于不同的传感器)，然后送到一个模拟数字转换器(ADC)，进行转换得到数值。系统还需要通信外设电路来和其它大的设备接口连接以便提供反馈，或者将数值送至片上闪存来存储测量值或者进行必要的显示。图2显示了温度测量系统的基本框图。

图2：温度测量系统框图。

尽管图2显示在ADC之前进行了信号处理，是否有需要在信号转换之后进行处理还取决于是模拟系统还是数字系统。整体精度依赖于噪声控制、偏移、预处理电路及ADC所带来的增益误差。很多应用需要从远端进行实时温度数据采集，比如矿场、工业、和各种自动化场合。利用串行通信协议，如UART、I2C都可以用来给主系统控制器传输这种温度数据。

如何提高热电偶温度传感器精度

基于热电偶传感器的温控系统广泛应用于工业控制中，这是由于其很宽的温度范围的优势造成的。它的基本原理是通过测量接合点电动势来感应温度。但它需要一个假设：假定冷端是恰恰是在摄氏零度。然而，让冷端一直保持在这个温度是不切合实际的。为了实现精确测量，需要应用一种技术手段，我们可以称之为冷端补偿(CJC)。

为了进行冷端补