利用固态技术在物联网应用中有效检测温度

随着物联网 (IoT) 应用的增长,消费、住宅、商业和工业场景对温度传感器的需求也与日俱增。虽然温度可能是最常被测量的物理变量,但测量温度常常会带来一些挑战,例如:选择何种类型的传感器;随着时间推移和环境变化,如何保持性能。
经典温度检测技术包括热敏电阻、热电偶和电阻温度检测器 (RTD)。本文将介绍设计人员在温度测量方面面临的挑战,并比较上述三种检测方案。然后,本文将说明第四种方案:固态温度传感器。
本文随后将介绍合适的固态温度解决方案,并阐述如何使用它们来满足物联网温度测量要求。

温度测量是一项持续不断的挑战

原则上,温度很容易测量,但实际上,由于传感器的精度、放置、功耗和待测量位置的数量等原因,有效测量温度可能会变得很困难。
  • 精度:一些物联网应用只需要 ±2°C 的性能,但 ±1°C 最常见,尽管某些精密应用可能需要 ±0.5°C 或以内的更高性能。
  • 放置:传感器的实际定位常常是一个两难选择,既要考虑它与目标点可以相距多远而不会降低读取完整性,又要考虑导线长度。
  • 功耗:许多物联网应用采用有限的电源供电,例如长寿命电池或能量收集。
  • 检测位置的数量:有些情况只需要监测一两个点,而有些情况则需要测量多个点。这会产生通信和成本问题,同时加重定位复杂性和功耗问题。

传统传感器可能不太适合

热电偶、RTD 和热敏电阻使用广泛,非常适合有线式非物联网应用,以及那些容易获得电源的应用。但是,它们的主要属性可能与多样化且分散的物联网设施不兼容。尽管有许多高功能接口 IC 支持它们,并且设计人员对其应用有着深厚的经验,但事实就是如此。
这三种方法各有优劣:
  • 热电偶可在高达数千度的极宽温度范围内提供出色的精度,但需要辅助环境温度传感器进行冷结补偿 (CJC)。热电偶还需要复杂的接口电路。
  • 电阻温度检测器 (RTD) 的精度也非常高,并且其温度与电阻传递函数的线性度相当好。但是,RTD 需要数十毫安的驱动电流和复杂的驱动与读出电路。由于使用铂,RTD 相对而言也比较昂贵。
  • 热敏电阻的电阻随温度而改变;温度每变化一度,电阻会有很大的变化,从而提高了分辨率。热敏电阻精确且稳定,小尺寸使其热质量也很小,因此响应速度很快。然而,与热电偶和 RTD 不同,热敏电阻的响应曲线没有行业标准,这既是好事也是坏事。热敏电阻有很多类型和范围可供选择,但互换性和更换可能会有问题。
表 1 总结了热电偶、RTD 和热敏电阻的关键特性和属性,表 2 比较了它们的相对优势和劣势。一如既往,并不存在单一的“最佳”温度传感器,因为每种类型都是权衡特性与应用目标和优先级的结果。
传感器类型 热敏电阻 RTD 热电偶
温度范围(典型值) -100°C 至 +325°C -200°C 至 +650°C +200°C 至 +1750°C
精度(典型值) 0.05°C 至 1.5°C 0.1°C 至 1°C 0.5°C 至 5°C
100°C 下的长期稳定性 0.2℃/年 0.05°C/年 不定
线性度 呈指数 相当线性 非线性
所需电源 恒压或恒流 恒压或恒流 自供电
响应时间 快速:0.12 秒至 10 秒 一般很慢:1 秒至 50 秒 快速:0.10 秒至 10 秒
电气噪声敏感性 很少受影响
仅高电阻
很少受影响 易受影响/冷结补偿
成本 低到中
表 1:三种广泛使用的传统温度传感器——热电偶、RTD 和热敏电阻——具有非常不同的主要性能属性。(图片来源:Omega Engineering Inc.)
传感器类型 优势 劣势
热电偶
  • 温度范围
  • 自供电
  • 不会自发热
  • 坚固耐用
  • 冷结补偿
  • 精度
  • 稳定性
  • TC 扩展引线
RTD
  • 精度
  • 稳定性
  • 线性度
  • 引线电阻误差
  • 响应时间
  • 抗振
  • 尺寸
热敏电阻
  • 灵敏度
  • 精度
  • 成本
  • 坚固耐用
  • 气密性
  • 表面贴装
  • 非线性
  • 自发热
  • 范围较窄
表 2:基本属性的比较表明:根据应用要求,热电偶、RTD 和热敏电阻各自都能发挥作用。(图片来源:Omega Engineering Inc.)
热电偶和热敏电阻的固有非线性意味着它们需要进行线性化(图 1)。这可以通过全模拟电路(在大多数新设计中较不常见)、存储器中的查找表或提供校正计算的算法来实现。但是,这样做会加大基本物联网和多通道应用中使用这些元件的挑战。
使用热电偶、RTD 或热敏电阻的系统图
图 1:使用热电偶、RTD 或热敏电阻的系统必须补偿它们的固有非线性,而这些非线性会因每种类型的一般形状和特定型号而异。(图片来源:Omega Engineering Inc.)
虽然热敏电阻、RTD 和热电偶的每种优点使它们成为特定应用的理想选择,但物联网应用的设计人员需要更通用的解决方案。通用解决方案应当能够以低成本快速部署,并且可以在典型的半导体应用环境中维持精度、性能和响应时间。随着需要连接的传感器数量的增加,通信和配置的简便性也是必然要求。
由于这些及其他原因,固态检测方法颇受物联网设备设计人员的欢迎。

固态传感器适合物联网应用

固态传感器的概念并不新鲜,但多年来它已得到了极大的发展和改进。传感器始于一个广为人知的理想二极管公式,该公式定义了二极管电流、电压和温度之间的关系,如公式 1 所示:
公式 1公式 1
二极管的热电压 Vt 是温度效应在 P-N 结上产生的电压,在室温下约为 26 毫伏 (mV)。正是热电压和温度之间的这种关系,才使得二极管可用作温度传感器的核心。
然而,这种关系的固有且不可避免的非线性使得基本二极管难以使用,不能充当已校准传感器。片上线性化电路的增加,使得固态传感器成为物联网应用的有效选择。通过在二极管周围添加元件可以克服这些困难,让基于二极管的传感器成为有吸引力的选择。
第一款基于二极管的大众市场温度 IC 是 Analog Devices 的 AD590(图 2)。这款产品于数十年前首次推出,但事实证明非常有用,现在仍然有售;它有很多种封装,包括双引线通孔扁平封装、双列直插式封装 (DIP) 和微型表面贴装外壳。
Analog Devices AD590 图片
图 2:Analog Devices 的 AD590 是一款双端子电流源温度传感器,可产生与绝对温度成比例的线性 1 μA/K 电流。这里显示的是带引线的扁平封装。(图片来源:Analog Devices)
传感器充当一个简单的温度相关电流源,产生与绝对温度成比例 (PTAT) 的 1 μA/K 模拟输出电流。此输出通过激光调整来校准器件,在 298.2 K (25°C) 时输出 298.2 μA。电流输出相对而言不受噪声影响,可用于长线路中,类似于 4 - 20 mA 电流环路。
AD590 采用 +4 V 至 +30 V 电源供电,电源通过电流输出引线施加。它有多个版本,可满足 ±2°C 至 ±0.5°C 的精度要求,工作温度范围为 -55°C 至 150°C。许多物联网应用只需要精度有限(可以不那么精确)的读数,因此适合使用成本较低的版本。
自 AD590 系列推出以来的数十年中,出现了许多基于该原始概念的变体。例如在许多设计中,基本电流输出并不方便,因为它需要进行电流-电压或电流-数字转换才有用。
这些因素导致了诸如 Analog Devices AD22100 之类传感器的推出。该器件提供与温度 × V+ 成比例的线性电压输出,温度系数为 22.5 mV/°C(图 3)。在 -55°C 至 150°C 范围内无需调整。精度至少为满量程的 ±2%,而线性度优于满量程的 ±1%。
Analog Devices AD22100 的功能框图
图 3:AD22100 的功能框图显示了如何通过其内部运算放大器,将温度相关的电流输出转换为精确定标的电压。(图片来源:Analog Devices)
由于 AD22100 具有比例性质,因此可通过将 AD22100 的 5 V 电源用作 ADC 的基准,轻松实现 AD22100 与模数转换器 (ADC) 的连接(图 4),从而无需使用精密电压基准。采用 +5.0 V 单电源时,输出范围为 0.25 V (-50°C) 至 +4.75 V (+150°C)。
Analog Devices AD22100 固态传感器示意图
图 4:Analog Devices AD22100 固态传感器的电压输出非常适合直接与 ADC 相连。(图片来源:Analog Devices)
其他基于二极管的固态传感器内置模数转换器,通常通过 I2C 或 SMBus 接口连接系统处理器。温度是一个变化速度相对缓慢的变量,因此转换器可以高分辨率和极低功耗缓慢运行(18 到 22 位)。当仅需要一个或几个通道时,这些器件会是有效的解决方案。
在需要很多通道的应用中,例如监视系统中各种可能的“热点”时,使用低成本传感器并共享转换电路可能是明智之举。最便宜的传感器是基本二极管(实际上是低性能晶体管的二极管结),但自身的非线性使其难以使用。
为了克服这些问题,Microchip Technology 的 EMC181x 系列等 IC 支持多个晶体管,并增加了所需特性来使晶体管的二极管输出线性化且具准确性,同时也实现了数字化处理。当添加外部晶体管时,该系列器件 (EMC1812/13/14/15/33) 用作高精度 2 线多通道温度传感器,并具有 SMBus/I2C 接口(图 5)。
Microchip Technology EMC181x 系列接口 IC 示意图
图 5:Microchip Technology EMC181x 系列接口 IC 具有一个内部二极管(晶体管)传感器和一至四个外部二极管传感器。这可最大限度地减少布线和接口元件,从而极大地简化多通道测量任务。(图片来源:Microchip Technology Inc.)
该系列中的每个 IC 都有一个内部温度传感器(最高精度 ±1°C,-40°C 至 +125°C),并且支持连接外部检测通道。EMC1812 有一个外部二极管通道,此系列器件中的 EMC1815 最多支持四个外部通道。
为了确保精度并避免校准,这些 IC 包含多个高级特性。例如,电阻误差校正 (REC) 功能会自动消除引线串联电阻引起的温度误差,从而为检测二极管布线提供更大的灵活性。另一个称为“β 补偿”的特性可消除由应用广泛的低可变 β 晶体管引起的温度误差。结果是测量精度达到 ±1°C,外部二极管读数的分辨率达到 0.125°C。

集成带来更大的处理和配置灵活性

EMC181x 系列不仅仅能执行测量并报告给系统处理器,还能减轻处理器负担,使其无需不停地检查温度,例如提供用户可设置的每通道阈值警报和变化率测量警报,但这些 IC 的内部复杂性对用户而言是透明的(图 6)。因此,处理器监视和判断多个读数点状况的负担大大降低,同时用户的灵活性得以保留。
Microchip EMC181x 系列 IC 示意图(点击放大)
图 6:EMC181x 系列 IC 内部有寄存器,用于存储用户设置的每通道阈值和趋势警报值。(图片来源:Microchip Technology Inc.)
固态传感器 IC 还能用来提供比大多数器件常见的 ±0.5°C 至 ±1°C 额定值更高的精度。一个很好的例子是 Texas Instruments 的TMP117(图 7)。
Texas Instruments 的 TMP117 示意图
图 7:Texas Instruments 的 TMP117 在 -20°C 至 50°C 范围内保证 ±0.1°C 的精度,经认证符合严格的医疗标准;它也非常适合许多范围需求有限的物联网应用。(图片来源:Texas Instruments)
它是一款针对(但不限于)病人用电子温度计的高精度数字温度传感器。对于此应用,该传感器的设计符合 ASTM E1112 和 ISO 80601 要求。其他应用包括环境监测、高性能温控器、可穿戴设备、资产跟踪、冷链监测和气量表/热量表。
TMP117 提供 16 位温度结果,分辨率为 0.0078°C(18 位),在 -20°C 至 50°C 的温度范围内精度高达 ±0.1°C,无需校准。这是一个相对有限的范围,但对于许多应用来说已足够。TMP117 的精度仍然很高,在 -55°C 至 +150°C 的范围内最大误差为 ±0.3°C。
TMP117 以 1 赫兹 (Hz) 的速率对温度读数进行数字化处理,并通过 I2C 和 SMBus™ 兼容接口提供结果。一条总线上最多可支持四个这样的 IC。为了减轻处理器负担,它含有
可编程阈值警报功能。由于很多目标应用是采用电池供电且能量容量有限,因此值得注意的是,TMP117 采用 1.8 V 至 5.5 V 电源供电,典型功耗为 3.5 微安 (μA),关断电流为 150 纳安 (nA)。它的尺寸也很小,采用 6 引线、2.00 mm × 2.00 mm WSON 封装。

确保传感器和系统性能

选择规格正确的传感器且使用得当,是两个相关但又有点相互独立的问题。选择温度传感器时,基本问题始终是它必须在什么范围内提供有效读数。
一旦确定,就要解决一些相关的问题:所需的绝对精度、精密性和分辨率、整个范围内的线性度分别是多少。有些应用更重视温度的微小变化,而不是知道温度的确切值;有些应用则更看重读数的绝对精度。设计人员必须仔细考虑每个参数需要何种程度的性能。当在狭窄的目标区域中需要较高精度,而在远离该区域的地方需要的精度较低时,情况会更加复杂。
温度传感器的规格书不仅有一些泛泛的声明,例如“-55°C 至 +150°C 范围内的精度为 ±1°C”,还会提供许多详细的性能表格和图形。这些内容是对概述式声明的扩充,使用户了解背景信息,并指出哪些规格是典型值、哪些规格是最小值或最大值等等。规格书还会显示传感器的线性度曲线,因为传感器的性能在其完整范围的不同区域会有所不同。此外,读数的精度在整个范围内通常保持不变,但绝对精度则不然;如果系统目标主要是报告围绕检测值的细小变化,那么这通常不是问题。
传感器的放置也是一个问题。它当然需要靠近目标点或区域,但问题是到底放在哪里以及放多近。在某些情况下,传感器必须物理连接到被检测对象(例如可能过热的电机框架);相比之下,若是一个外壳,则需要将它放在盒子中的“某处”。甚至这个“某处”也可能难以确定,因为若是直接放在气流中,产生的读数可能与热元件附近的温度大相径庭。
出于这个原因,许多先进的设计使用多个传感器来创建系统运行时的实时热图,测量关键局部热点以及整个系统温度。此方案不仅仅适用于小型外壳或机箱。需要一个或多个温度检测点的物联网应用包括 HVAC、热水器、能源管理、安全、设备监控和其他过热场景。读数之间的差异,尤其是这些差异的变化,可能表明存在问题。
关于这些用于物联网应用的固态传感器,还有两个有利点值得说明。首先,小尺寸和轻质量意味着它们对被测量的点或物体的热影响极小,不会明显改变温度上升/下降速率。其次,低功耗意味着它们的自发热也可以忽略不计,因此读数不会被传感器自身的发热破坏。

结论

虽然传统传感器在特定应用中有其优势,例如热电偶可测量极高的温度,但大多数物联网应用很少关注这种极端情况。
这就为固态温度传感器打开了大门,其优势包括相当高的精度和分辨率、低功耗需求、小尺寸、日益增强的功能。单通道和多通道物联网应用均能轻松连接这些固态器件,从而提供精密准确的读数。

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