温度传感器产品设计选择

趋势

产品设计选择

了解我们推荐的在产品设计中选择温度传感器的时机、温度传感器特性以及使用温度传感器时的设计注意事项。

简介

理想情况下,从初始概念到产品发布的产品设计过程是一条直线,不浪费工程能力、购买时间或设计更改所需的重新设计。但在现实中,产品发布的过程迂回曲折,有时几乎充满波折。

TE Connectivity (TE) 认为温度传感器设计参与的最佳时机是在产品概念期间。由此,我们的温度传感器设计工程师能够在产品设计中发挥积极作用,提供我们多年的热设计经验。根据此过程中的经验,我们相信这是最佳时机。例如,多年前与大型计算机制造商合作时,我们的探头被纳入制造商的设计中。探头设计由制造商提供,该应用要求两个热敏电阻暴露在塑料管末端。我们提供了符合制造商规格的热敏电阻,但是在产品发布过程中发现探头存在设计问题。暴露的热敏电阻受到损坏。此热敏电阻设计问题阻碍了数十亿美元产品的发布。我们的设计工程师前往客户处讨论此问题。在我们与负责产品发布的大型员工团队的长时间会议期间,备受尊敬的高级设计工程师问我们的团队:“为什么不将探头放在护套内呢?”我们的回答是:“如果你们问过我们,我们就会这样做;我们根据你们的设计规格进行了设计。”一旦我们的团队了解了产品设计和应用限制,我们就可以设计出适用于该产品的温度传感器。

凭借 60 多年的热传感器设计和制造专业知识以及类似上述示例的与其他大型公司合作的经验,我们的团队认为应在产品概念阶段选择温度传感器。

 产品发布的典型过程

图 1. 产品发布的典型过程

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温度传感器设计的一个有趣特性是它跨多个工程领域。电气工程师通常参与指定传感器的电气特性以及与电气系统的接口。机械工程师通常负责热模拟以及将传感器物理集成到设备设计中。设计时是由机械工程师还是电气工程师参与,各公司情况不同。除非公司规模较大,否则通常不会有来自两个领域的工程师同时参与。我们的设计工程团队涵盖了这两个领域,为客户提供跨整个系统设计的全面支持。

电气工程和机械工程之间的关系

图 2. 电气工程和机械工程之间的关系

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温度传感器特征
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线性

线性定义传感器输出在一定温度范围内的持续变化情况。NTC 热敏电阻呈指数非线性,在低温下表现出的灵敏度比在高温下更高。由于微处理器在传感器信号调节电路中的应用越来越广泛,因此随着时间的推移,传感器的线性已不再是一个问题。通电时,使用热敏电阻和铂 RTD 都需要仔细考虑传感器元件中的功率损耗,防止自热。对于铂 RTD 传感器,适用标准(ASTM、DIN)中指定了测量电流。NTC 热敏电阻没有此类标准,因此由设计团队确定适用的电流水平,以确保在提供充足的信噪比同时不会出现明显的自热现象。这些电流通常在微安范围内。

响应时间

响应时间或传感器指示温度的速度取决于传感器元件的大小和质量(假定不使用预测方法)。半导体响应速度最慢。其次为铂线绕元件。铂膜热敏电阻和热电偶采用小型包装,因此可高速响应。玻璃微珠是响应速度最快的热敏电阻结构。响应时间本身是一个定义不明确的特征。测量热响应的更好方法是时间常量 (TC),即在两个不同温度之间传导时,传感器记录 63.2% 的温度变化所需的时间。顾名思义,无论初始温度和结束温度如何,这都是基于热传导的基本物理学原理的、针对给定介质的一个常量值。测量不同介质时有不同的时间常量。例如,在静止空气中测量的温度探头的时间常量大约是在搅拌油中测量的相同探头的 10 倍。

电气噪声

温度指示中的电噪声导致错误是由于毫伏信号弱而导致的热电偶主要问题。对于一些像天线一样具有高电阻的 NTC 热敏电阻来说,噪声也可能是个问题。 

引线电阻

引线电阻可能会导致电阻器件(如热敏电阻或 RTD)产生误差偏移。对低阻器件(如 100Ω 铂元件或低电阻热敏电阻)的影响更为明显。铂 RTD 传感器的温度系数相对较低,使此问题更加严重,因此使用 3 引线或 4 引线结构从测量结果中减去引线电阻。对于热敏电阻,通常选择较高的电阻值来消除该影响。热电偶必须使用与引线本身相同材料的延长引线和连接器,否则可能会产生错误。

成本

在选择要使用的传感技术类型时,不应将传感器元件的成本作为主要考虑因素。每种类型(NTC、RTD、热电偶或半导体)都有其优点和缺点。在每种技术中,与精确度、稳定性、温度范围和环境阻力等传感器特征相关的成本范围很广。请务必查看实施的总成本以确定任何应用的最有效解决方案。

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下一步是什么?

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