揭露錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電溫度傳感器的神秘面紗--為受限應(yīng)用實現(xiàn)測量精準(zhǔn)度和使用壽命的長短

  錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶溫度或溫度傳感器具有非接觸式溫度測量的優(yōu)勢，使其比標(biāo)準(zhǔn)的基于觸點的溫度傳感器更受歡迎。?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶傳感器使用紅外（IR）輻射與傳導(dǎo)進(jìn)行熱傳遞，這提供了獨特的解決方案，可在許多受限應(yīng)用中實現(xiàn)新級別的性能和可靠性。

     致力于電子設(shè)備熱管理的上海自動化儀表有限公司自動化三廠長期以來一直享受數(shù)字溫度傳感IC的簡單性和便利性。市場上新的集成錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶傳感器IC以相同的方便數(shù)字格式提供溫度結(jié)果。功率，尺寸和成本的不斷降低為消費設(shè)備，醫(yī)療器械，辦公設(shè)備和家用電器創(chuàng)造了機會。

    小型錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶紅外傳感器最常用的是便攜式設(shè)備，如筆記本電腦，平板電腦和智能手機。測量外殼溫度是優(yōu)化性能的關(guān)鍵輸入。保持處理器以峰值功率運行，同時保持用戶舒適的外殼溫度，是在較小外形尺寸中追求更高處理能力的主要設(shè)計約束。

    使用電路板上的接觸式溫度傳感器將其溫度與外殼溫度相關(guān)聯(lián)會產(chǎn)生非常不準(zhǔn)確的結(jié)果。此外，它不考慮環(huán)境條件的任何變化，即在晴天或曲棍球場外使用平板電腦。接觸溫度傳感器粘在外殼上，導(dǎo)線將其連接到電路板上，可以解決這個問題。但這是制造業(yè)的噩夢，因為它涉及手動裝配，可靠性差。

      錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶IR溫度傳感器可以使用標(biāo)準(zhǔn)自動化過程安裝到印刷電路板（PCB）上。它可以測量電路板和外殼溫度，從而實現(xiàn)真正的反饋控制和優(yōu)化。

          IR溫度傳感器的另一個有吸引力的應(yīng)用是溫度監(jiān)控和移動物體的控制，例如激光打印機中的加熱輥。在這些情況下，使用基于接觸的溫度傳感器會帶來許多缺點。例如，接觸點在運動期間磨損。通過在傳感器上施加法向力來實現(xiàn)良好的熱接觸會加劇這種情況。此外，聯(lián)系地點可能不在興趣點。這為兩個位置之間的熱傳遞創(chuàng)建了時間常數(shù)，并可能損害控制系統(tǒng)的效率。IR溫度傳感器可以消除所有這些約束。

  為了充分利用這項技術(shù)，必須解決熱電偶紅外溫度傳感器的一些特點。熱電偶紅外傳感器有許多串聯(lián)的熱電偶，它們的“熱”結(jié)連接到薄的紅外吸收器上，通常在硅片上的微機械薄膜上（見圖1,2和3）。

    吸收器與其前面的物體之間的IR輻射的交換使得吸收器的溫度上升或下降，這取決于它與物體之間的溫差。這個過程是由普朗克黑體輻射（法律管轄圖3），和輻射熱傳遞（斯忒藩-玻耳茲曼定律圖2）。吸收體的小質(zhì)量提供與物體的快速熱平衡。較小的厚度提供了芯片的塊狀材料的熱絕緣，導(dǎo)致吸收器的中間和芯片的主體之間的溫度梯度。

圖1：錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶與鎧裝熱電偶的關(guān)系

圖2：典型的錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶紅外傳感器圖

圖3：在溫度為40°C至125°C的溫度下的板條光譜輻射定律

    錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的“冷”接頭位于散裝中。內(nèi)置溫度傳感器測量體溫，作為計算的參考點。在單個錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶上產(chǎn)生的電壓與兩個結(jié)之間的溫差成比例。比例系數(shù)稱為塞貝克系數(shù)：來自描述錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶操作原理的塞貝克效應(yīng)。

    ?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的總電壓等于所有單個熱電偶上的電壓之和。在相同的熱電偶串聯(lián)的情況下，錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的數(shù)量乘以其中一個錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的電壓。根據(jù)傳感器芯片溫度TS和錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶輸出電壓的測量值計算物體溫度。?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶電壓的簡化公式來自波爾茲曼定律和塞貝克效應(yīng)通過公式1得出：

V TP = A（TO 4 - TS 4）

    在等式1中，VTP是錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶電壓，TO是物體溫度，TS是傳感器溫度。在A = RTH的情況下?N?S?ε?σ?F; RTH =熱阻，N =熱電偶數(shù)，S =塞貝克系數(shù)，ε=凈發(fā)射率，σ=斯特凡常數(shù)，F(xiàn) =視場（FOV）。

    要正確測量物體的溫度，物體必須完全填滿傳感器的視場（FOV）。這確保了影響錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的IR輻射僅來自感興趣的物體而不是其背景。與具有ε= 1的理想黑體相比，材料的發(fā)射率表示其發(fā)射IR輻射的能力。人體皮膚，玻璃，木材和油性涂料都具有非常好的發(fā)射率，大于0.9，而拋光金屬和石膏的發(fā)射率小于0.1。

    較低的發(fā)射率導(dǎo)致來自物體的較低IR信號具有較高的物體反射率，因為反射率，透射率和吸光度/發(fā)射率之和總計為1.這使得傳感器測量反射物體的溫度而不是感興趣的物體。因此，對于適當(dāng)?shù)腎R溫度測量，需要物體的高發(fā)射率。將黑色膠帶或涂料應(yīng)用于低發(fā)射率對象的表面可以解決此問題。

組合系數(shù)A需要進(jìn)行校準(zhǔn)，如果在最終系統(tǒng)上進(jìn)行校準(zhǔn)，則需要考慮發(fā)射率和FOV不確定性。VT

   錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶溫度或溫度傳感器具有非接觸式溫度測量的優(yōu)勢，使其比標(biāo)準(zhǔn)的基于觸點的溫度傳感器更受歡迎。?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶傳感器使用紅外（IR）輻射與傳導(dǎo)進(jìn)行熱傳遞，這提供了獨特的解決方案，可在許多受限應(yīng)用中實現(xiàn)新級別的性能和可靠性。

     致力于電子設(shè)備熱管理的上海自動化儀表有限公司自動化三廠長期以來一直享受數(shù)字溫度傳感IC的簡單性和便利性。市場上新的集成錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶傳感器IC以相同的方便數(shù)字格式提供溫度結(jié)果。功率，尺寸和成本的不斷降低為消費設(shè)備，醫(yī)療器械，辦公設(shè)備和家用電器創(chuàng)造了機會。

    小型錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶紅外傳感器最常用的是便攜式設(shè)備，如筆記本電腦，平板電腦和智能手機。測量外殼溫度是優(yōu)化性能的關(guān)鍵輸入。保持處理器以峰值功率運行，同時保持用戶舒適的外殼溫度，是在較小外形尺寸中追求更高處理能力的主要設(shè)計約束。

    使用電路板上的接觸式溫度傳感器將其溫度與外殼溫度相關(guān)聯(lián)會產(chǎn)生非常不準(zhǔn)確的結(jié)果。此外，它不考慮環(huán)境條件的任何變化，即在晴天或曲棍球場外使用平板電腦。接觸溫度傳感器粘在外殼上，導(dǎo)線將其連接到電路板上，可以解決這個問題。但這是制造業(yè)的噩夢，因為它涉及手動裝配，可靠性差。

      錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶IR溫度傳感器可以使用標(biāo)準(zhǔn)自動化過程安裝到印刷電路板（PCB）上。它可以測量電路板和外殼溫度，從而實現(xiàn)真正的反饋控制和優(yōu)化。

          IR溫度傳感器的另一個有吸引力的應(yīng)用是溫度監(jiān)控和移動物體的控制，例如激光打印機中的加熱輥。在這些情況下，使用基于接觸的溫度傳感器會帶來許多缺點。例如，接觸點在運動期間磨損。通過在傳感器上施加法向力來實現(xiàn)良好的熱接觸會加劇這種情況。此外，聯(lián)系地點可能不在興趣點。這為兩個位置之間的熱傳遞創(chuàng)建了時間常數(shù)，并可能損害控制系統(tǒng)的效率。IR溫度傳感器可以消除所有這些約束。

  為了充分利用這項技術(shù)，必須解決熱電偶紅外溫度傳感器的一些特點。熱電偶紅外傳感器有許多串聯(lián)的熱電偶，它們的“熱”結(jié)連接到薄的紅外吸收器上，通常在硅片上的微機械薄膜上（見圖1,2和3）。

吸收器與其前面的物體之間的IR輻射的交換使得吸收器的溫度上升或下降，這取決于它與物體之間的溫差。這個過程是由普朗克黑體輻射（法律管轄圖3），和輻射熱傳遞（斯忒藩-玻耳茲曼定律圖2）。吸收體的小質(zhì)量提供與物體的快速熱平衡。較小的厚度提供了芯片的塊狀材料的熱絕緣，導(dǎo)致吸收器的中間和芯片的主體之間的溫度梯度。

圖1：錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶與鎧裝熱電偶的關(guān)系

圖2：典型的錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶紅外傳感器圖

圖3：在溫度為40°C至125°C的溫度下的板條光譜輻射定律

錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的“冷”接頭位于散裝中。內(nèi)置溫度傳感器測量體溫，作為計算的參考點。在單個錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶上產(chǎn)生的電壓與兩個結(jié)之間的溫差成比例。比例系數(shù)稱為塞貝克系數(shù)：來自描述錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶操作原理的塞貝克效應(yīng)。

錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的總電壓等于所有單個熱電偶上的電壓之和。在相同的熱電偶串聯(lián)的情況下，錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的數(shù)量乘以其中一個錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的電壓。根據(jù)傳感器芯片溫度TS和錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶輸出電壓的測量值計算物體溫度。?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶電壓的簡化公式來自波爾茲曼定律和塞貝克效應(yīng)通過公式1得出：

V TP = A（TO 4 - TS 4）

    在等式1中，VTP是錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶電壓，TO是物體溫度，TS是傳感器溫度。在A = RTH的情況下?N?S?ε?σ?F; RTH =熱阻，N =熱電偶數(shù)，S =塞貝克系數(shù)，ε=凈發(fā)射率，σ=斯特凡常數(shù)，F(xiàn) =視場（FOV）。

    要正確測量物體的溫度，物體必須完全填滿傳感器的視場（FOV）。這確保了影響錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶的IR輻射僅來自感興趣的物體而不是其背景。與具有ε= 1的理想黑體相比，材料的發(fā)射率表示其發(fā)射IR輻射的能力。人體皮膚，玻璃，木材和油性涂料都具有非常好的發(fā)射率，大于0.9，而拋光金屬和石膏的發(fā)射率小于0.1。

    較低的發(fā)射率導(dǎo)致來自物體的較低IR信號具有較高的物體反射率，因為反射率，透射率和吸光度/發(fā)射率之和總計為1.這使得傳感器測量反射物體的溫度而不是感興趣的物體。因此，對于適當(dāng)?shù)腎R溫度測量，需要物體的高發(fā)射率。將黑色膠帶或涂料應(yīng)用于低發(fā)射率對象的表面可以解決此問題。

    組合系數(shù)A需要進(jìn)行校準(zhǔn)，如果在最終系統(tǒng)上進(jìn)行校準(zhǔn)，則需要考慮發(fā)射率和FOV不確定性。VTP和TS由傳感器測量。更嚴(yán)格的考慮因素是內(nèi)置溫度傳感器所在的吸收器與傳感器的體溫。通常，差異在mK范圍內(nèi)，因此這種近似對大多數(shù)實際情況都是有效的。物體溫度可使用公式2推導(dǎo)出來：

T O =（TS 4 + V TP / A）1/4

    該公式適用于良好絕緣的封裝中的錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶傳感器，通常是金屬罐，內(nèi)部有惰性氣體或甚至是真空，這導(dǎo)致主要的熱傳遞通過IR輻射發(fā)生。在最小型的IR傳感器中，例如采用晶圓級芯片級封裝（WCSP）的TMP006，傳感器和吸收膜直接暴露在周圍環(huán)境中。這使得傳感器對傳導(dǎo)和對流更敏感，這是另外兩種傳熱機制，與輻射傳熱相比。由此產(chǎn)生的影響是錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶傳感器的熱電偶電壓漂移與傳感器芯片溫度的關(guān)系。根據(jù)公式3，總共使用三個系數(shù)來補償此電壓漂移：

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相等時的偏移電壓（例如，物體和傳感器具有相同的溫度），TREF是室溫（+ 25°C或+ 298°K）。計算該偏移量并從每個測量點的錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶電壓中減去該偏移量，并且用于物體溫度計算的結(jié)果電壓由公式4給出：

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

由于實際傳感器的光譜范圍有限，系數(shù)c 2解釋了與理想波爾茲曼模型的偏差，并提供了二階補償。然后，對象溫度計算的公式如公式5所示：

T O =（T S 4 + f {V O } / A）1/4

　　　傳感器溫度的大瞬態(tài)也會影響測量精度。絕緣膜在其溫度和整體溫度之間產(chǎn)生熱滯??后，快速改變PCB或環(huán)境溫度。通過傳感器的熱阻將“熱”結(jié)與傳感器的其余部分隔離。

結(jié)論：

    總之，錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶紅外溫度傳感器為非接觸式溫度測量提供了小尺寸，低功耗和低成本解決方案的最佳組合。盡管它們與傳統(tǒng)的基于接觸式溫度傳感器的實施并不是一件容易的事情，但其優(yōu)勢遠(yuǎn)大于工程師為正常運行所需解決的額外考慮因素。此外，所有主要供應(yīng)商的應(yīng)用工程團(tuán)隊都渴望在此過程中提供幫助，并將熱管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀內(nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑S多設(shè)備。和TS由傳感器測量。更嚴(yán)格的考慮因素是內(nèi)置溫度傳感器所在的吸收器與傳感器的體溫。通常，差異在mK范圍內(nèi)，因此這種近似對大多數(shù)實際情況都是有效的。物體溫度可使用公式2推導(dǎo)出來：

T O =（TS 4 + V TP / A）1/4

　　該公式適用于良好絕緣的封裝中的錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶傳感器，通常是金屬罐，內(nèi)部有惰性氣體或甚至是真空，這導(dǎo)致主要的熱傳遞通過IR輻射發(fā)生。在最小型的IR傳感器中，例如采用晶圓級芯片級封裝（WCSP）的TMP006，傳感器和吸收膜直接暴露在周圍環(huán)境中。這使得傳感器對傳導(dǎo)和對流更敏感，這是另外兩種傳熱機制，與輻射傳熱相比。由此產(chǎn)生的影響是錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶傳感器的熱電偶電壓漂移與傳感器芯片溫度的關(guān)系。根據(jù)公式3，總共使用三個系數(shù)來補償此電壓漂移：

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相等時的偏移電壓（例如，物體和傳感器具有相同的溫度），TREF是室溫（+ 25°C或+ 298°K）。計算該偏移量并從每個測量點的錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶電壓中減去該偏移量，并且用于物體溫度計算的結(jié)果電壓由公式4給出：

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

   由于實際傳感器的光譜范圍有限，系數(shù)c 2解釋了與理想波爾茲曼模型的偏差，并提供了二階補償。然后，對象溫度計算的公式如公式5所示：

T O =（T S 4 + f {V O } / A）1/4

傳感器溫度的大瞬態(tài)也會影響測量精度。絕緣膜在其溫度和整體溫度之間產(chǎn)生熱滯??后，快速改變PCB或環(huán)境溫度。通過傳感器的熱阻將“熱”結(jié)與傳感器的其余部分隔離。

結(jié)論：

    總之，錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號熱電偶紅外溫度傳感器為非接觸式溫度測量提供了小尺寸，低功耗和低成本解決方案的最佳組合。盡管它們與傳統(tǒng)的基于接觸式溫度傳感器的實施并不是一件容易的事情，但其優(yōu)勢遠(yuǎn)大于工程師為正常運行所需解決的額外考慮因素。此外，所有主要供應(yīng)商的應(yīng)用工程團(tuán)隊都渴望在此過程中提供幫助，并將熱管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀內(nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑S多設(shè)備。