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揭开热电偶温度传感器的神秘面纱--为受限应用实现新级别的性能和可靠性
添加时间:2020-04-26

热电偶温度或温度传感器具有非接触式温度测量的优势,使其比标准的基于触点的温度传感器更受欢迎。热电偶传感器使用红外(IR)辐射与传导进行热传递,这提供了独特的解决方案,可在许多受限应用中实现新级别的性能和可靠性。


    致力于电子设备热管理的上海自动化仪表三厂长期以来一直享受数字温度传感IC的简单性和便利性。市场上新的集成热电偶传感器IC以相同的方便数字格式提供温度结果。功率,尺寸和成本的不断降低为消费设备,医疗器械,办公设备和家用电器创造了机会。


    小型热电偶红外传感器最常用的是便携式设备,如笔记本电脑,平板电脑和智能手机。测量外壳温度是优化性能的关键输入。保持处理器以峰值功率运行,同时保持用户舒适的外壳温度,是在较小外形尺寸中追求更高处理能力的主要设计约束。


    使用电路板上的接触式温度传感器将其温度与外壳温度相关联会产生非常不准确的结果。此外,它不考虑环境条件的任何变化,即在晴天或曲棍球场外使用平板电脑。接触温度传感器粘在外壳上,导线将其连接到电路板上,可以解决这个问题。但这是制造业的噩梦,因为它涉及手动装配,可靠性差。


    热电偶IR温度传感器可以使用标准自动化过程安装到印刷电路板(PCB)上。它可以测量电路板和外壳温度,从而实现真正的反馈控制和优化。


    IR温度传感器的另一个有吸引力的应用是温度监控和移动物体的控制,例如激光打印机中的加热辊。在这些情况下,使用基于接触的温度传感器会带来许多缺点。例如,接触点在运动期间磨损。通过在传感器上施加法向力来实现良好的热接触会加剧这种情况。此外,联系地点可能不在兴趣点。这为两个位置之间的热传递创建了时间常数,并可能损害控制系统的效率。IR温度传感器可以消除所有这些约束。


    为了充分利用这项技术,必须解决热电偶红外温度传感器的一些特点。热电偶红外传感器有许多串联的热电偶,它们的“热”结连接到薄的红外吸收器上,通常在硅片上的微机械薄膜上(见图1,2和3)。


    吸收器与其前面的物体之间的IR辐射的交换使得吸收器的温度上升或下降,这取决于它与物体之间的温差。这个过程是由普朗克黑体辐射(法律管辖图3),和辐射热传递(斯忒藩-玻耳兹曼定律图2)。吸收体的小质量提供与物体的快速热平衡。较小的厚度提供了芯片的块状材料的热绝缘,导致吸收器的中间和芯片的主体之间的温度梯度。


图1:热电偶与热电偶的关系


 

图2:典型的热电偶红外传感器图

 

图3:在温度为40°C至125°C的温度下的板条光谱辐射定律



    热电偶的“冷”接头位于散装中。内置温度传感器测量体温,作为计算的参考点。在单个热电偶上产生的电压与两个结之间的温差成比例。比例系数称为塞贝克系数:来自描述热电偶操作原理的塞贝克效应。


    热电偶的总电压等于所有单个热电偶上的电压之和。在相同的热电偶串联的情况下,热电偶的数量乘以其中一个热电偶的电压。根据传感器芯片温度TS和热电偶输出电压的测量值计算物体温度。热电偶电压的简化公式来自波尔兹曼定律和塞贝克效应通过公式1得出:


V TP = A(TO 4 - TS 4)


    在等式1中,VTP是热电偶电压,TO是物体温度,TS是传感器温度。在A = RTH的情况下?N?S?ε?σ?F; RTH =热阻,N =热电偶数,S =塞贝克系数,ε=净发射率,σ=斯特凡常数,F =视场(FOV)。


    要正确测量物体的温度,物体必须完全填满传感器的视场(FOV)。这确保了影响热电偶的IR辐射仅来自感兴趣的物体而不是其背景。与具有ε= 1的理想黑体相比,材料的发射率表示其发射IR辐射的能力。人体皮肤,玻璃,木材和油性涂料都具有非常好的发射率,大于0.9,而抛光金属和石膏的发射率小于0.1。


    较低的发射率导致来自物体的较低IR信号具有较高的物体反射率,因为反射率,透射率和吸光度/发射率之和总计为1.这使得传感器测量反射物体的温度而不是感兴趣的物体。因此,对于适当的IR温度测量,需要物体的高发射率。将黑色胶带或涂料应用于低发射率对象的表面可以解决此问题。


    组合系数A需要进行校准,如果在最终系统上进行校准,则需要考虑发射率和FOV不确定性。VTP和TS由传感器测量。更严格的考虑因素是内置温度传感器所在的吸收器与传感器的体温。通常,差异在mK范围内,因此这种近似对大多数实际情况都是有效的。物体温度可使用公式2推导出来:


T O =(TS 4 + V TP / A)1/4


    该公式适用于良好绝缘的封装中的传感器,通常是金属罐,内部有惰性气体或甚至是真空,这导致主要的热传递通过IR辐射发生。在最小型的IR传感器中,例如采用晶圆级芯片级封装(WCSP)的TMP006,传感器和吸收膜直接暴露在周围环境中。这使得传感器对传导和对流更敏感,这是另外两种传热机制,与辐射传热相比。由此产生的影响是传感器的热电偶电压漂移与传感器芯片温度的关系。根据公式3,总共使用三个系数来补偿此电压漂移:


V OS = b 0 + b 1(T S -T REF)+ b 2(T S -T REF)2


    在上面的等式3中,VOS是TO和TS相等时的偏移电压(例如,物体和传感器具有相同的温度),TREF是室温(+ 25°C或+ 298°K)。计算该偏移量并从每个测量点的热电偶电压中减去该偏移量,并且用于物体温度计算的结果电压由公式4给出:


f {V O } =(V TP -V OS)+ c 2(V TP -V OS)2


    由于实际传感器的光谱范围有限,系数c 2解释了与理想波尔兹曼模型的偏差,并提供了二阶补偿。然后,对象温度计算的公式如公式5所示:


T O =(T S 4 + f {V O } / A)1/4


    传感器温度的大瞬态也会影响测量精度。绝缘膜在其温度和整体温度之间产生热滞??后,快速改变PCB或环境温度。通过传感器的热阻将“热”结与传感器的其余部分隔离。


    结论:

    总之,热电偶红外温度传感器为非接触式温度测量提供了小尺寸,低功耗和低成本解决方案的最佳组合。尽管它们与传统的基于接触式温度传感器的实施并不是一件容易的事情,但其优势远大于工程师为正常运行所需解决的额外考虑因素。此外,所有主要供应商的应用工程团队都渴望在此过程中提供帮助,并将热管理模式转变为我们日常生活中使用的许多设备。


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