传感器的温度特性及解决思路
2019-11-16王卫国王进升
文/王卫国 王进升
1 引言
目前,随着物联网和智能设备的不断发展,对传感器的需求量也在不断增加。在使用过程中,由于地域导致的温度差异、不同设备使用的环境温度差异、客户对设备或传感器的使用精度的不同要求等,传感器的温度特性显得特别重要。对传感器的温度特性的处理不当,将导致传感器参数发生漂移,轻微情况下导致传感器精度不合格,严重的将出新检测数据失真,进而引发设备停机或误报警,产生不必要的经济损失和导致不良社会影响。
因此,要求我们的工程技术人员对传感器的温度特性进行必要的分析,熟悉传感器的温度特性和成因,对相关的温度补偿技术进行必要的研究。
针对不同的传感器的工作原理、在不同温度环境下的温度漂移要求、产品的性价比和客户的定制要求,进行传感器的温度补偿,就需要采取对应的补偿方式,本文将针对不同的温度补偿要求,选择合适的元器件,进行一些设计和工艺上的改进。
2 传感器的组成和温度影响因素
2.1 传感器的组成
传感器一般是由传感芯片、恒流源或恒压源功能块、信号放大部分、输出电路等组成,也可以包括有单片机处理部分、无线通讯部分和其他关联的功能模块。如图1所示。
2.2 影响传感器的温度特性的因素
影响传感器温度特性的因素,主要是如下几个方面:器件的选择,包含传感器的传感芯片、二极管、三极管和集成电路等;电路设计;温度补偿技术等。
3 器件选择
3.1 传感器芯片
目前传感器的芯片主要是国外厂家提供,或者是进口芯片由国内封装,而国内生产的传感器芯片,大都是用于低端的产品,可靠性和温度特性比较差。其中,为军方定制的芯片,其质量是值得信任的,不过价格是远远超过一般民用品和工业品的接受程度。
压力传感器有陶瓷芯片、扩散硅芯片等,在工作温度范围比较大的情况下,选择陶瓷压力传感器芯片,传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性,传感器自带温度补偿0~70℃,工作温度范围高达-40~135℃。在常温使用环境下且温度范围不大,选择扩散硅压力芯片,由于扩散硅压力芯片的灵敏度高,后续处理的运算放大器的放大倍数小,因而温度漂移比较小。
霍尔传感器芯片有锑化铟、砷化镓等,锑化铟芯片典型工作电流为10mA,砷化镓芯片典型工作电流为2mA。对传感器芯片而言,所需的工作电流越低越好。电流大了导致的温升,会造成传感器的参数漂移。锑化铟芯片一般是恒流供电,使用于开环工作的传感器中,砷化镓芯片一般是恒压供电,使用于有负反馈回路的闭环工作的传感器中。闭环传感器的稳定性和温度特性比开环传感器的更好。
温度传感器芯片有Pt100、Pt1000、热电偶等,Pt100铂电阻测温范围可以到-250~850℃,Pt1000铂电阻温度的采集范围可以在-200℃~+200℃,热电偶温度的采集范围比较大,一般是-200℃~1300℃,特殊情况下可达-270℃~2800℃。其中,Pt100分为A级和B级,A级精度高于B级。A级精度为(0.15+0.002*|t|)摄氏度;B级精度为(0.30+0.005*|t|)摄氏度,其中|t|为实际温度的绝对值。
3.2 二、三极管
传感器中使用的二极管,主要是硅管,比如1N4148、1N4007等,也会用到快恢复二级管HER101~107等,以及其他一些型号的二极管。
温度对二极管的性能有较大的影响,温度升高时,反向电流将呈指数规律增加,如硅二极管温度每增加8℃,反向电流将约增加一倍;锗二极管温度每增加12℃,反向电流将约增加一倍。温度升高时,二极管的正向压降将减小,每增加1℃,正向压降VF(VD)大约减小2mV,即具有负的温度系数。
传感器中使用的三极管,比如9012、9013、8550、8050、3904、3906等,根据实际使用的功率,以及C、E间的电压值进行封装选择和型号选择。
在传感器中的三极管,与温度特性有关是放大倍数β和发射结电压Ube。三极管的β随温度的升高将增大,温度每上升1℃,β值约增大0.5~1%。其结果是在相同的Ib情况下,集电极电流Ic随温度上升而增大。和二极管的正向特性一样,温度上升1℃,发射结电压Ube将下降2~2.5mV。
二、三级管的温度特性,一方面对传感器的参数温度漂移产生负面影响,一方面也可以利用它们的特性对传感器的温度漂移进行适当的补偿。具体的补偿方法,在下文的电路设计中会有涉及。
3.3 集成电路
常用的集成电路,运算放大器包含741系列、358系列、2904等。选择运算放大器的参数,主要有封装形式、品牌和型号尾缀,本文将传感器设计中常用的几款集成电路的温度特性列表如表1、表2和表3所示。
传感器的温度范围分为0℃~70℃(民用级)、-40℃~85℃(工业级)、-40~125℃(汽车工业级)、-55℃~150℃(军品级)。如前述参数所示,根据客户的使用环境和精度要求,可以选择合适的集成电路,并注意在高温下使用的散热处理。
一般情况下,根据客户的使用环境,对运算放大器等集成电路进行选择。根据集成电路的PDF文件,详细查看电路的工作温度和存储温度,同时考虑电路的带负载能力和封装,选择电路的型号,在样品或样机测试过程中,注意电路的温升情况,以及在使用环境温度的上、下限条件下测试传感器的温度漂移,综合上述因数,进行合理的器件选择。
表1:741系列温度特性
表2:158、258、358的温度特性
表3:2904的温度特性
图1:传感器的组成
图2:传感器芯片恒流供电电路的两种工作方式
4 电路设计
4.1 线路设计
传感器芯片是有源芯片,需要提供稳定的工作电源。一种是提供恒流电源,如图2所示,一种是提供恒压电源,比如用78系列的三端稳压器,或者用可调节集成电路317提供。使用IC1集成电路,并通过稳压管ZW1控制传感器芯片恒流源的,恒流源的电流大小,取决于稳压管的稳压值的温度稳定性、运算放大器的温度特性和R2的温度稳定性;使用Q1功率三极管及ZW2稳压管等组成的传感器芯片恒流电路,恒流电流的大小主要取决于ZW2稳压值、R4电阻值等,其中恒流电流的温度特性,取决于ZW2、Q1等的温度稳定性,并通过D1的温度特性进行温度补偿,可通过选择D1的材料特性,比如选择不同的硅管、锗管或肖特基管等来进行合理的温度补偿。
4.2 工艺设计
图3:分段补偿电路
传感器的工艺设计过程中,从工序、设备和测试方法等方面控制温度的稳定性。焊接工序,采用SMT和波峰焊工艺,使用SMT器件,可以减小器件的体积,增加PCB板上的空间,便于空气的流动,方便器件的散热,减低器件的温升,利于传感器的温度特性的稳定。在PCB板上将发热的器件进行合理的放置,方便散热的同时,也将发热器件分开放置,将传感器的整体温升控制在合理的范围内。采用温度参数筛选的方式,将传感器放置于高低温箱中,在高温、低温和常温下进行测试,由于器件参数的离散性,将其中温度参数漂移大的筛选出来,通过器件补偿方式进行调整。这种温度补偿方式,样品制作和小批量比较合适,大批量生产,就显得效率比较低,以及补偿的精度不高。
4.3 原理设计
传感器的原理设计,一般情况下分为开环设计和闭环设计。在温度稳定性方面,闭环设计的效果更好,闭环设计的传感器,能对输出结果进行检测,并将检测信号反馈到控制处理部分,从而对系统的控制产生影响,由于能够通过反馈回路进行参数修正,因此,对于回路中出现的扰动能够进行自动修复,回路中的器件温度特性漂移就可以通过回路的自动修正来修正。
5 利用单片机软件编程对传感器的温度漂移进行参数修正
通过硬件电路来实现温度误差补偿存在器件固有的不稳定性、调试困难、通用性差、成本高、精度低等缺点。
前述温度补偿或修正的方法,由于器件温度的非线性特性,因此,一般的补偿也是在一定温度范围内,无法做到全温区覆盖;传感器的温度特性,是有组成传感器回路中的各个器件的温度特性的综合,因此,传感器的温度曲线,是不规则的,无法用某一种补偿方法彻底解决。而这些缺陷,用单片机处理的软件补偿就方便多了。
5.1 单片机软件补偿
利用单片机为核心,配接合适的传感器芯片和器件,用温度传感器Pt100等测温,测温元件通常是安装在传感器内靠近敏感元件的地方,用来测量传感点的环境温度,该温度信号作为采集信号的一路送入单片机,等信号采样结束,单片机运行温度误差补偿程序,补偿传感器信号的温度误差。
这种软件设计方式,无需手动设置,就可以保证对温度的变化做出及时的反应,并且能够找到相应的零点温漂电压,从而确保单片机输出的电压是实时更新过的修正后的电压值。
利用这种软件温度补偿方法,能够解决硬件电路补偿方法的一些问题,提高了调试速度,提高了测试精度,但是,该方法计算复杂,成本高,不适用于量产化的民用传感器、小型企业的产品开发等情况。
5.2 开关量输出的传感器进行分段温度补偿
基于硬件温度补偿和软件温度补偿的优缺点,提出一种对温度进行分段补偿的方法,该方法结合软件和硬件补偿,不但解决了在不同温度范围下的温度补偿问题,而且计算简单,成本较低,性价比高,不管是生产制造还是现场使用,都是非常方便,实用性和可靠性比较高。
因为开关量输出的传感器,需要一个参考点作为与传感器芯片采集信号的比较电压,所以通过设定不同的比较电压值,对应不同的温度区域。通过温度传感器检测的环境温度,选择不同的参考电压,用来抵消传感器芯片温度产生的漂移,达到温度补偿的目的。
如图3所示,使用温度传感器(NTC1)对环境温度进行检测,利用单片机的逻辑判断,对检测的信号进行判断,设定一个上限阈值,一个下限阈值,如果温度偏高,信号大于上限值,则将传感器芯片信号与R/R5分压信号进行比较;如果温度较低,信号小于下限值,则将传感器芯片信号与R3/R7分压信号进行比较;如果信号处于两个限值之间,则将传感器芯片信号与R2/R6分压信号进行比较。如果温度分档更多、更精确,以此类推。单片机将比较结果,用于控制输出端的Q1功率管,并进而对后续的继电器或单片机等实施控制。
利用分段温度补偿对传感器进行温度补偿,能够做到对不同温度状态下产品的温度特性补偿,设计和操作上也比较方便,在现场使用上也避免了不同温度状态下的故障损失。
6 结论
本文通过对传感器的器件、工艺和设计等方面进行分析,理解传感器的参数漂移与环境温度的关系,并从硬件选择方面对传感器参数温度漂移的影响,提出部分解决思路和方法。从原理设计方面进行比较,根据精度要求和产品成本,选择合适的设计方案。运用软件设计进行温度补偿,特别是考虑成本和效果,提出了多段温度补偿法。本文的传感器温度特性分析和提出的解决思路,由于传感器的种类繁多,使用环境要求相差较大,因此,也只能应用于部分传感器的温度参数改进。提出的解决思路只是提供了一种解决问题的方法,供各位工程师参考。