电子技术在温度传感器中的应用研究

电子技术在温度传感器中的应用研究

王策鑫

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摘要：在自动控制领域，传感器将测量的物理信号转换成电信号，这对监控系统的运行至关重要。当它发生故障时，将对后续的监控、控制、故障诊断系统产生严重影响。例如，在机车驱动控制系统中，温度是表征工作环境和设备状态的重要指标，如牵引变压器油温、牵引变流器水冷系统输入、出水口温度传感器温度、柜体空气温度和牵引电机温度等。如果温度过高，要进行功率减小的机车运行、主开关断线等保护动作，以保证设备的安全运行。牵引传动系统装置的运行环境复杂，腐蚀、温度、湿度以及电浪涌、静电等因素都会影响其运行状态。

本文主要分析电子技术在温度传感器中的应用研究。

关键词：温度传感器；电子技术；传感器设计

引言

温度传感器在各行各业有着广泛应用，特别是在汽车行业，如汽车的发动机进气温度、冷却液温度、排气温度、变速箱温度、电池包温度等都需要温度传感器作为监控元件来进行闭环控制。对于温度传感器，通常比较关注的是其测温范围和测温精度。然而，在被测介质温度快速变化的环境下，温度传感器的动态响应特性会显著影响传感器的测温精度，在开发过程中应予以充分关注。

1、COMS正反馈式温度传感器概述

本次所研究的COMS正反馈式温度传感器是应用在半导体集成电路片上热管理中的正反馈式新型温度传感器。具体设计中，将运算放大器中的正反馈结构设置在了PTAT电流转化电路内，使其和电阻相结合，这样便可对半导体器件中的微弱温度变化信号做进一步的放大处理，使其输出摆幅显著增大，进而达到足够的灵敏度与测量精度。这种温度传感器在嵌入式系统、储存器以及非制冷形式的红外探测器等内部芯片温度监测中都十分适用。

2、温度传感器的动态特性

一般温度传感器的性能参数主要包括允差、绝缘电阻、热响应时间、自热参数等，其中热响应时间也就是温度传感器的动态特性，它反映了温度传感器探测被测介质温度并输出准确信号的快慢程度。对于采用“接触式”测量的温度传感器，其探头部分必须置于被测介质中并经过一定时间与之达到热平衡后，才能准确反映出被测介质的温度。因此，温度传感器的动态特性反映了温度传感器探头与周围被测介质热交换的快慢，同时也反映了温度检测延迟时间的长短。在动态测温中，热响应时间会使温度计的测量结果中温度波动幅值小于被测物体的实际温度波动幅值，并且热响应时间越长，测得的波动幅值越小。《温度传感器动态响应校准》（JJF1049—1995）规定了测量流体温度的接触式温度传感器的动态响应特性测试方法。温度传感器的动态响应特性是指温度传感器的输出温度与被测介质温度阶跃之间的响应关系。

3、电子技术的发展现状

电子技术作为应用范围广泛的技术，其功能是对电子元件完成控制及转换，从而保证电力系统稳定运行，使企业的运营成本节约，提升企业生产效率。电力电子技术合理化运用，控制电气设备良好运行的同时，也能对系统各类数据进行记录，对电子设备展开全天候的检测，降低事故发生率，达到提前预警的效果。电子技术在应用过程中，覆盖多个方面，包括电子器件制造及电子在电路中的应用，在此方面的应用满足我国社会发展需求，并取得突破性进展。现阶段，人类智能化技术时代，电力电子技术朝向自动化及智能化方向发展，电力电子技术在电气控制领域中实现技术与功能的融合。对电力系统数据进行检测，有利于实现无人状态下的调节，减轻人工压力的同时，避免发生严重的设备故障，降低企业的经济性损失。目前，我国电子技术发展中，虽然已经取得一定的成果，但电功率无法满足各阶段需求，我国未来的电力电子技术具有较大的发展空间，在未来发展中应当继续努力，促进电力电子技术稳定发展。

4、温度传感器设计中的电子技术应用分析

4.1在偏置电路设计中的应用

在本次基于电子技术的PTAT温度传感器设计中，应用的是无关于电源电压以及温度的典型带隙基准源，以此来为运算放大器进行偏置电压提供。借助于PTAT结构，可实现一个电流值的形成，这个电流值和温度正相关。而在其整个的电路结构中，则会有一个电流产生，这个电流与上一个电流具有相同的系数，但是和温度负相关，这样便可让获得的电流和温度无关。在通过电阻进行转换之后，便可获得到一个无关于温度的基准电压。将该基准源应用到本次基于电子技术所设计的PTAT温度传感器中，不仅可使其运算放大器输入部分和其他部分的偏置电压需求得以充分满足，同时也不需要进行其他补偿机构的加设。

4.2温度误差中的应用

温度误差参数是通过测试一个预定温度的温度值，然后将测试值与预定温度值进行比较而获得的温度误差值。首先要设计温度稳定的环境，然后用经过测量校准的精度较高的TMPXXX温度传感器读取环境温度，再与被测数字温度传感器电路测量的温度值进行比较，计算其温度误差参数，误差值在规定范围内为合格。有三种温度传播方式:辐射、对流和传导，对于相对封闭的空腔空间，辐射和传导提高和冷却效率较低，空气对流速度较快。大多数集成电路测量和制造过程都是空气对流的方式。使用空气加热或冷却设备相对方便有效，目前主热流罩设备可在两分钟内将温度从-55℃升至125℃，反之亦然。通过鼓风机将冷空气或热空气排入固定腔。但空气对流方式有相应的缺点，空气流动时，气流对腔室不同空间点的温度影响不同，气流路径不固定，因此腔室不同点的温度在同一时刻可能有一定的偏差。一般来说，空间的温度偏差越大，气流速度的温度偏差就越大。

4.3在PTAT电路结构设计中的应用

在本次所研究的COMS正反馈式温度传感器中，其温度传感器应用的是PTAT型电流源结构，通过该结构的应用，可实现系统误差的有效降低。在传统形式的温度传感器中，PTAT结构主要是在handgap这一结构基础上衍生而来，而其PTAT电流到温度的转化与相应的电压输出仅仅通过简单的电阻来实现，且电压输出范围很小，测量精度不高。基于此，在本次设计中，为有效解决传统温度传感器的设计弊端，特在电路中加设了运算放大器正反馈结构，使其和电阻之间进行有效结合，这样便可对器件中微弱的温度信号变化进行有效的放大处理，以此来实现输出电压的显著提升。

4.4在数据处理中的应用

在传感器中涉及的板块较为丰富，在运行过程中会生成数据，对系统运行情况具有较大的影响，数据是判断系统运行的重要手段，通过工程数据分析方法进行归纳及管理。通过数据技术，技术人员对系统的异常信息进行排查，电气控制系统往往具有修复功能，在一定程度上达到智能化及自动化工作的目标。通过自动化系统对各类零件运行状况进行分析，将老化及受损的零件进行更换。技术人员通过服务器自动控制系统对运行数据进行处理，以数据手段对电气控制板块的故障进行分析，一旦发生问题及时进行修复，节省节约及保养成本的同时，也能缩减人工时间，保证传感器更为稳定的运行。电气控制系统在运行中，对数据进行录入，需根据工程运行数据确定最终的储存方式。

结束语

为确保电子技术在温度传感器中的应用效果，在本次通过电子技术进行PTAT温度传感器的设计之后，特对其在不同温度条件下的电压输出值Vtenp瞬态进行了仿真，仿真过程中，每隔10℃进行一次结果取值。经仿真分析可知，在温度是-45-125℃之间，其电压输出的取值范围是1.704V。经进一步分析发现，全部的取值点都与趋势线十分接近。经进一步计算得出，其测量精度可控制在-0.21-+0.12℃之间；电压线性度输出值可达到99.93%。由此可见，该温度传感器的测量精度及其灵敏度都十分良好。

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