用傳感器AFE設(shè)計(jì)熱電偶應(yīng)用

　　1821年，托馬斯•塞貝克(Thomas Seebeck)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)物理現(xiàn)象，當(dāng)把兩種不同金屬的兩端連接起來(lái)并加熱其中一端時(shí)，熱電電路上會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的電流。如果另一端也被斷開(kāi)，就可以測(cè)量到與被加熱結(jié)點(diǎn)(測(cè)量點(diǎn)或“熱”結(jié)點(diǎn))和斷開(kāi)端(參考點(diǎn)或“冷”結(jié)點(diǎn))之間溫差成正比的電壓。這一物理特性稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)，它是熱電偶傳感器的基礎(chǔ)。

　　熱電偶有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，使其可以廣泛使用在許多應(yīng)用中，例如工業(yè)、醫(yī)療和家電等行業(yè)。與其他流行的溫度傳感器相比，例如遠(yuǎn)程溫度二極管器(RTD)、熱敏電阻、IC傳感器等，熱電偶最為堅(jiān)固，也最便宜，而且可以在最大溫度范圍內(nèi)工作。此外，由于熱電偶是無(wú)源傳感器，不需要通過(guò)電刺激來(lái)進(jìn)行操作，從而可最大限度地降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。在其許多優(yōu)勢(shì)當(dāng)中，重要的是用戶(hù)在通過(guò)熱電偶進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分認(rèn)識(shí)其電氣特性。

　　根據(jù)用來(lái)形成熱電偶結(jié)的金屬類(lèi)型不同，熱電偶傳感器可分為不同校準(zhǔn)類(lèi)型(即K型、J型等)。根據(jù)校準(zhǔn)類(lèi)型，熱電偶具有某一溫度范圍的靈敏度(mV/℃)，以及在該溫度范圍內(nèi)的非線(xiàn)性電壓曲線(xiàn)。例如，K型熱電偶的平均靈敏度約為41 mV/℃，工作溫度范圍為200℃至1250℃。在其工作溫度范圍內(nèi)熱電偶的電壓曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，這在圖1中可以看到。

　　在用熱電偶進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，重要的是用戶(hù)要明白熱電偶是雙極性的，因?yàn)檫@意味著它可以產(chǎn)生一個(gè)正電壓或負(fù)電壓，而這取決于所測(cè)得的溫度是否分別高于或低于系統(tǒng)溫度。

　　如前所述，熱電偶產(chǎn)生的電壓數(shù)值與測(cè)量的結(jié)點(diǎn)之間的溫差有關(guān)，該結(jié)點(diǎn)位于被測(cè)環(huán)境中，而參考結(jié)點(diǎn)通常是在測(cè)量系統(tǒng)環(huán)境中。這意味著，熱電偶只能發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)之間的溫差，而不能測(cè)量絕對(duì)溫度。如果要確定被測(cè)環(huán)境的絕對(duì)溫度，則需要確定參考結(jié)點(diǎn)的溫度和絕對(duì)溫度計(jì)算因數(shù)。這種技術(shù)被稱(chēng)為“冷結(jié)補(bǔ)償”，它可以通過(guò)使用一個(gè)溫度傳感器(如德州儀器的LM94022)來(lái)進(jìn)行處理，溫度傳感器靠近測(cè)量系統(tǒng)中的參考結(jié)點(diǎn)。該溫度傳感器應(yīng)該與電路板等溫連接，以盡量減少任何潛在的溫度梯度。