于洋 張艷華

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 北京 100076)

隨著科技的飛速發(fā)展，溫度傳感器的應(yīng)用范圍越來越廣泛，在日常生活隨處可見，給人們的生活和工業(yè)生產(chǎn)帶來了很大的方便。溫度傳感器把與半導(dǎo)體相關(guān)的材料和電路屬性有機(jī)結(jié)合在一起，從而達(dá)到精準(zhǔn)計(jì)量周圍環(huán)境溫度的目的。溫度傳感器給我們的生活帶來了很多便利，是人們生活中的必需產(chǎn)品，其應(yīng)用范圍涉及很多領(lǐng)域，如家用電器、電子產(chǎn)品、各種汽車等。溫度傳感器能高效地測量各種物體的溫度，防止由于電器過熱而導(dǎo)致電線短路的現(xiàn)象發(fā)生。該文對溫度傳感器的設(shè)計(jì)與測試問題進(jìn)行了簡要分析。

1 溫度傳感器概述

1.1 溫度傳感器定義與目的

溫度傳感器廣泛運(yùn)用在人們的生活之中，特別是自從新冠疫情以來，尤其需要在各大公共場所如地鐵站、商場這些位置進(jìn)出口安裝溫度傳感器，來實(shí)時檢測進(jìn)出行人的身體溫度。精確的測量可以避免疫情傳播的風(fēng)險(xiǎn)，及時發(fā)出警報(bào)，保護(hù)進(jìn)出行人的生命健康安全。此外，單獨(dú)的溫度計(jì)等產(chǎn)品也是家中常備的必需品，比如家中的火警報(bào)警系統(tǒng)，最重要的就是溫度、煙霧報(bào)警器，一旦溫度超過閾值，就會發(fā)出警報(bào)，及時保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全。溫度傳感器的定義是，它能感受到物體或者環(huán)境的溫度，并且將之轉(zhuǎn)化成可用輸出信息的一種傳感器，通常溫度傳感器的制作是結(jié)合NTC 的阻值隨著溫度的變化而輸出信號，有效地將物理量成功地轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，從而精準(zhǔn)地對溫度進(jìn)行測量的一個器件。在科技快速發(fā)展的今天，溫度傳感器的技術(shù)已經(jīng)逐漸被大家所熟知，并且逐漸普及到千家萬戶。目前，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、醫(yī)藥、交通、石油化工等，各行各業(yè)和人們的生活都離不開溫度傳感器[1]。

溫度傳感器可以測量和控制某種物體溫度，還能測定風(fēng)速、流速，測量溫度、微波的功率和紫外光、紅外光，不僅如此，溫度傳感器還同時應(yīng)用于冰箱、電視、熱水器、空調(diào)、電腦顯示器、廚房里的設(shè)備、汽車等眾多領(lǐng)域?，F(xiàn)在眾多的產(chǎn)品中都會應(yīng)用溫度傳感器這個高新技術(shù)，就是為了用于預(yù)防電線短路的現(xiàn)象發(fā)生。由此可見，溫度傳感器對我們的生活非常重要。近幾年，隨著科學(xué)領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、電子行業(yè)的飛速發(fā)展，也促使溫度傳感器的應(yīng)用也在不斷增長[2]。

1.2 常見溫度傳感器

目前，常用的溫度傳感器有鉑電阻溫度傳感器、PN 結(jié)溫度傳感器、集成溫度傳感器等，根據(jù)傳感器的需求和所處環(huán)境來選用不同的溫度傳感器。

鉑電阻溫度傳感器是常見的傳感器，其功能來源于鉑電阻的性質(zhì)。一般金屬導(dǎo)體將會隨溫度的變化而導(dǎo)致電阻值波動，由此可以依照這個原理檢測電阻值和環(huán)境溫度的關(guān)系。鉑電阻溫度傳感器的原理就是通過檢測鉑電阻變化而檢測環(huán)境溫度。

這樣的原理也說明，如果使用金屬導(dǎo)體制備溫度傳感器，需求金屬導(dǎo)體的電阻率高、熱容量小、反應(yīng)速度快。這類金屬有如鐵、鎳、鉑、銅等，然而由于鐵、鎳穩(wěn)定性較差，難以提純，銅、鉑性能較好，兩者相比之下，鉑的相關(guān)性質(zhì)更適用溫度傳感器所面臨的環(huán)境，由此，鉑電阻制備溫度傳感器十分普遍。

在0 ℃～630.74 ℃映射關(guān)系為

在-200 ℃～0 ℃映射關(guān)系為

而PN結(jié)溫度傳感器原理來源于晶體管的PN結(jié)的結(jié)電壓可以和被測環(huán)境溫度呈現(xiàn)出近似線性變化的特性，由此利用晶體管制備的溫度傳感器就可以完成溫度測量。在給定電流模式下，PN結(jié)的正向電壓和環(huán)境溫度存在良好線性關(guān)系。在給定電流博士下，其加載正向電壓UF大于kbT/e時期對應(yīng)正向電流IF與對應(yīng)正向電壓UF產(chǎn)生映射關(guān)系，由此可以分析得到被測溫度[3]。

集成溫度傳感器是集成輔助電路和溫敏晶體管在集成化溫度傳感器。這種溫度傳感器類似于集成電路，性能比較穩(wěn)定，具備較為理想的線性關(guān)系[4]。

2 溫度傳感器的設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

溫度傳感器是一個溫度傳感元件，它的信號輸出就是由單片機(jī)通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而完成的，溫度值是通過數(shù)碼管來顯示的。提供的溫度必須是通過外接5～12 V的直流電源來顯示，范圍控制在-55 ℃～125 ℃之內(nèi)，精準(zhǔn)度必須達(dá)到1 ℃，數(shù)碼管才能顯示整數(shù)的溫度。溫度傳感器具有聲光報(bào)警功能，如果將報(bào)警溫度設(shè)置成30 ℃，當(dāng)溫度在30 ℃以內(nèi)時就會處于正常工作的狀態(tài)；反之，一旦溫度達(dá)到了30 ℃，二極管就會發(fā)出光亮，同時也會聽見聲響，那是蜂鳴器發(fā)出的報(bào)警聲音。如果在工作中不需要控制溫度，就可以提前設(shè)置，將報(bào)警的溫度適當(dāng)調(diào)高。如果工作中需要控制一小部分的溫度，那么就可以利用引線引出溫度傳感器，同時要控制好距離，不宜過大，還要注意絕緣的問題，防止觸電[5]。由設(shè)計(jì)理念可見溫度測量系統(tǒng)會具有采集系統(tǒng)、顯示處理系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和測溫傳感器四大模塊。測得的溫度信號經(jīng)由傳輸線路輸送到微處理器，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸送到計(jì)算器進(jìn)行綜合分析處理。

2.2 制作要求

在制作的過程中，有3個需要注意的問題。其中一個問題是要注意“℃”攝氏度符號是否接反，在焊接過程中要特別注意攝氏度符號的數(shù)碼管要倒著放，防止反方向現(xiàn)象的發(fā)生。另一個問題是為了節(jié)省空間，穩(wěn)壓塊最好要貼板安裝，這樣不僅空間省下來了，散熱的效果也非常好。在常溫狀態(tài)下，穩(wěn)壓塊的溫度一般會保持正常。最后一個問題是電容、三極管以及發(fā)光二極管一定不能接反。如果接反了其功能就無法得以展示，同時焊接的過程中焊錫不能太多，避免短路現(xiàn)象的發(fā)生[6]。

2.3 安裝調(diào)試

調(diào)試是一個很關(guān)鍵的步驟。在調(diào)試之前，一定要再次檢查電路以保證焊接準(zhǔn)確，每個引腳是否有短路的現(xiàn)象，同時調(diào)試時要保證電路板處于常溫的狀態(tài)下工作，確保所有的工作準(zhǔn)確無誤，才可以連接電源進(jìn)行調(diào)試工作。

3 電路工作原理及介紹

3.1 溫度傳感器的工作原理

圖1是熱敏電阻溫度傳感器的工作電路圖。由圖1 可見Rt是溫度敏感電阻元器件，當(dāng)溫度變化時將會改變Rt的阻值，原理上，通過三端穩(wěn)壓源LM317搭建的恒流源給Rt激勵會輸出隨溫度變化的電壓信號，再通過精密儀用放大器INA114 將檢測電壓信號放大至標(biāo)準(zhǔn)電壓值Uo。后端采集設(shè)備將Uo轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號，數(shù)字化信號將以數(shù)據(jù)的形式記錄在數(shù)據(jù)庫中，并且將其轉(zhuǎn)化為多種顯示。

圖1 溫度傳感器工作原理圖

目前，從應(yīng)用角度來說，主流溫度傳感器分為非接觸式和接觸式溫度傳感器，而根據(jù)材質(zhì)劃分可以劃分為熱電阻和熱電偶兩種，目前我國的技術(shù)進(jìn)步發(fā)展較大，溫度傳感器的體型進(jìn)一步縮小、功能進(jìn)一步完善、性能進(jìn)一步強(qiáng)大，方便使用和攜帶。這樣不僅有利于各個領(lǐng)域的應(yīng)用，同時也給人們的生活帶來很多方便。而對于新冠肺炎疫情肆虐情況下，運(yùn)用溫度傳感器可以一定程度上避免疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)，目前市場的前景較大。

3.2 接觸式溫度傳感器

接觸式溫度傳感器檢測的一端要與被檢測的對象有直接性接觸，又被稱作溫度計(jì)，溫度計(jì)遵循的是對流與傳導(dǎo)構(gòu)成熱度平衡。具備較強(qiáng)精確性和時效性，可以快速測量被測物體溫度，尤其是局部溫度測量中，顯示出溫度分布情況。不過對于熱容量較低的對象，則容易出現(xiàn)檢測誤差。綜合使用的材料以及原理來講，溫度計(jì)可以劃分為液體型、壓力型、金屬型，廣泛應(yīng)用在商業(yè)以及工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。在人們的日常生活中也會使用體溫計(jì)來測量自己的溫度。

3.3 非接觸式溫度傳感器

非接觸式溫度傳感器與接觸式溫度傳感器完全相反，它與被檢測的對象沒有直接性接觸。它的好處就在于可以用來測量熱容量很小以及正在運(yùn)動的物體，甚至是溫度變化特別快的對象也能快速地顯示它的表面溫度。由于非接觸式溫度傳感器測溫元件不接觸被測物體，也就可以用于公共交通等公共基礎(chǔ)設(shè)施的測溫使用中。尤其是在新冠肺炎疫情廣泛傳播的背景下，不接觸人體而測量體溫，可以避免病毒潛在傳播可能，由此，目前非接觸式溫度傳感器其實(shí)運(yùn)用極為廣泛，遍布我國。其特點(diǎn)在于可以測量運(yùn)動狀態(tài)小目標(biāo)或者熱容量變化迅速或者較小的對象，可以測量溫度場分布，不過會受到環(huán)境溫度的較大影響，在實(shí)際使用時，需要穩(wěn)定環(huán)境來確保測量精確性。非接觸式溫度傳感器具備較高的檢測效率，環(huán)境因素影響較小，可以實(shí)現(xiàn)小空間范圍內(nèi)的精確測量，這種方式適用性較強(qiáng)。由此，在公共設(shè)施、地鐵站、商場等公共場所出入口都會使用非接觸式溫度傳感器檢測行人人體溫度，來避免疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 熱電偶傳感器

熱電偶主要指的是兩個具有差異性的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體，其組合起來之后會形成熱電偶結(jié)構(gòu)。在檢測的過程中會形成可循環(huán)的回路，在物體兩側(cè)連接熱電偶回路之后會產(chǎn)生不同的節(jié)點(diǎn)溫度，熱端的溫度為T，冷端的溫度為TO。若符合這一原理回路會產(chǎn)生，電流運(yùn)作過程中會出現(xiàn)熱電動勢，它會隨著溫度的變化而產(chǎn)生電動勢，因此被稱為塞貝克效應(yīng)。

熱電偶溫度傳感器優(yōu)勢在于其結(jié)構(gòu)較為簡單，焊接不同材料的半導(dǎo)體或者導(dǎo)體，應(yīng)用較為廣泛，讓兩種導(dǎo)體形成閉合回路，回路中產(chǎn)生電動勢，觀測熱電動勢即可分析得到物體溫度。由此,為了確保測量結(jié)果的精確，熱電偶溫度傳感器制備需要嚴(yán)格要求熱點(diǎn)及材料，需要具備穩(wěn)定性較高的化學(xué)、物理性質(zhì)，其電阻溫度系數(shù)要小，導(dǎo)電率要高，需求較大熱電動勢且熱電動勢和溫度之間存在明顯線性變化關(guān)系，確保具備復(fù)現(xiàn)性。

3.5 熱電阻傳感器

熱電偶傳感器通過熱電動勢測量溫度同時也就限制了測量溫度的范圍，對于-200 ℃～500 ℃的物體，熱電阻攝氏度可以適用。其工作原理是通過半導(dǎo)體或者導(dǎo)體的電阻值和溫度變化之間的線性關(guān)系來測量溫度。一般常見的金屬材料在溫度每上升1 ℃就會增加0.4%～0.6%的電阻值。這種線性關(guān)系就可以完成對環(huán)境溫度的測量。熱電阻傳感器以熱敏電阻的電阻值的具體變化情況來檢測周邊溫度的變化情況，根據(jù)測量的阻值便可以計(jì)算出被測物體的實(shí)際溫度。熱電阻傳感器能夠檢測最低溫度以及最高溫度的范圍通常在-200 ℃～500 ℃。傳感器中所使用的零件主要為金屬，在材料選擇方面需要迎合以下幾點(diǎn)原則：（1）電阻材料的電阻值與物體溫度之間應(yīng)保持和諧的線性關(guān)系且保持長期穩(wěn)定；（2）電阻材料的電阻率越高，其金屬配件的熱容量越小，溫度檢測響應(yīng)越快；（3）材料性價(jià)比高，同時價(jià)格還很合理；（4）根據(jù)要測量的溫度范圍選定材料，確保物理特性更加穩(wěn)定。

4 溫度傳感器的測試方法

溫度傳感器的性能檢測方法要綜合傳感器實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行分析，例如檢測發(fā)動機(jī)冷卻液溫度的傳感器，那么在測試其性能過程中不能使用明火進(jìn)行測試，不然傳感器就會嚴(yán)重被損害。傳感器檢測時無論要拆哪個部件首先要確保斷電，否則拆卸部件可能會導(dǎo)致傳感器內(nèi)部電流過大或電壓上升，從而損害傳感器。

通過鉑電阻制備的溫度傳感器需要先對鉑電阻熱響應(yīng)時間進(jìn)行測試，首先將帶有初始溫度的鉑電阻放入恒定溫度的恒溫槽，計(jì)算初始溫度達(dá)到介質(zhì)溫度之差的63.2%所用時間，記錄為時間常數(shù)。設(shè)置10 s 采樣時間，每秒測試，記錄時間常數(shù)。

比如：對NTC 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻熱敏性能測試時需要進(jìn)行R-T 特性測試。由于一定的溫度范圍內(nèi)，NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度升高將會呈現(xiàn)非線性下降的趨勢，也就是在溫度上升過程中，其電阻阻值將會呈現(xiàn)變化趨勢漸緩的情況，由此無法準(zhǔn)確測量溫度。對于此類非線性溫度和阻值的對應(yīng)關(guān)系需要通過大量實(shí)驗(yàn)研究其參數(shù)，經(jīng)由回歸方法擬合曲線關(guān)系來得到溫度和阻值的映射關(guān)系。

表1 傳感器電阻值

以NTC 熱敏電阻為例，其R-T 曲線的精確直接關(guān)系到性能，由此電阻測量是極為重要的環(huán)節(jié)。較為經(jīng)典的方法如直流電橋法和恒電流法。直流電橋法是通過4個電阻，其中被測電阻組成電橋，確定電阻調(diào)節(jié)讓電橋平衡，經(jīng)由電氣分壓原理集散被測電阻。恒電流法是一種對照實(shí)驗(yàn)方法，將兩個電阻串聯(lián)在閉合電路中，使用電壓表獲得實(shí)時兩端電壓數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)比照實(shí)驗(yàn)電阻器，使得電壓表數(shù)值相同，也就測定了被測電阻。

4.1 水溫傳感器的檢測

溫度傳感器應(yīng)用在水溫檢測的過程中需要拔下導(dǎo)線連接器，若水溫不同，需要利用電阻表進(jìn)行檢測。檢測期間需要確保電阻值符合如下表所示的數(shù)據(jù)。在傳感器安裝期間需要及時連接導(dǎo)線，保證點(diǎn)火開關(guān)處于ON的狀態(tài)，THW與E2兩端的電壓值應(yīng)為0.1～1.0 V并且水溫處于80 ℃的情況下。如果測量時沒有顯示電壓，就需要進(jìn)一步系統(tǒng)地檢查。

4.2 進(jìn)氣溫度傳感器的檢測

進(jìn)氣溫度傳感器的檢測方法和上文所論述的水溫傳感器方式相同，在檢查時需要及時地切斷傳感器電源，然后保證點(diǎn)火開關(guān)處于ON 的狀態(tài)，分析THW 與E2 兩端子是否存在電壓，電壓值的范圍是0.5～3.4 V，同時水溫要處于20 ℃的情況下。如果測量時沒有顯示電壓，同樣也需要進(jìn)一步檢查，找出故障的原因。

4.3 冷卻液溫度傳感器和進(jìn)氣溫度傳感器的檢測

在進(jìn)行檢測時需要把傳感器安裝在發(fā)動機(jī)上，準(zhǔn)備一個電壓表接在傳感器的接線端處，根據(jù)冷卻液的不同溫度，電壓表會有所顯示。偶爾也會出現(xiàn)內(nèi)部電阻值的情況，這種情況只有在ECU與發(fā)動機(jī)冷卻液溫度傳感器連接時，并且溫度達(dá)到49 ℃才有可能出現(xiàn)。電阻值的變化會影響著兩極間的壓陣也發(fā)生變化。關(guān)于壓陣變化這一問題，廠家在生產(chǎn)時就會有詳細(xì)的說明。另外，在傳感器使用期間，其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能會出現(xiàn)部分波動情況，這些情況屬于正?，F(xiàn)象，只需控制在允許范圍內(nèi)。同時若進(jìn)氣溫度傳感器安裝在發(fā)動機(jī)位置，需要在兩個接線端中間連接電壓表，從而顯示溫度數(shù)值，其數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)往往如表2所示。總體來講，在溫度傳感器設(shè)計(jì)以及性能檢驗(yàn)的過程中，要嚴(yán)格按照既有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)分析，同時結(jié)合不同的使用場景以及使用需求進(jìn)行調(diào)整，這樣才可以確保溫度傳感器能夠真正滿足實(shí)際的檢測需要。

表2 溫度傳感器輸出

5 結(jié)語

總之，隨著我國科技的快速發(fā)展和城市化步伐的加快，溫度傳感器將應(yīng)用到各行各業(yè)、各個領(lǐng)域中。溫度傳感器是最常用的傳感器之一，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的各個方面具有自己存在的價(jià)值，同時因?yàn)樗耐庑魏苄?，更方便?yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，也為人們的生活提供了便利。尤其在新冠肺炎疫情肆虐的情況下，精確測量使用公共設(shè)施的行人的人體溫度可以避免病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)，為人民群眾的生命健康安全帶來保障。目前對于非接觸式溫度傳感器的研究是重點(diǎn)研究方向，前景較大，如何提高精確性，精確測量，排除環(huán)境干擾因素等依舊是研究的難點(diǎn)。