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

  錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶溫度或溫度傳感器具有非接觸式溫度測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，使其比標(biāo)準(zhǔn)的基于觸點(diǎn)的溫度傳感器更受歡迎。?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(dú)特的解決方案，可在許多受限應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)新級(jí)別的性能和可靠性。

     致力于電子設(shè)備熱管理的上海自動(dòng)化儀表有限公司自動(dòng)化三廠長(zhǎng)期以來(lái)一直享受數(shù)字溫度傳感IC的簡(jiǎn)單性和便利性。市場(chǎng)上新的集成錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(fèi)設(shè)備，醫(yī)療器械，辦公設(shè)備和家用電器創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

    小型錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(jī)。測(cè)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(yùn)行，同時(shí)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(jì)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(huì)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(chǎng)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(gè)問(wèn)題。但這是制造業(yè)的噩夢(mèng)，因?yàn)樗婕笆謩?dòng)裝配，可靠性差。

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

          IR溫度傳感器的另一個(gè)有吸引力的應(yīng)用是溫度監(jiān)控和移動(dòng)物體的控制，例如激光打印機(jī)中的加熱輥。在這些情況下，使用基于接觸的溫度傳感器會(huì)帶來(lái)許多缺點(diǎn)。例如，接觸點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)期間磨損。通過(guò)在傳感器上施加法向力來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的熱接觸會(huì)加劇這種情況。此外，聯(lián)系地點(diǎn)可能不在興趣點(diǎn)。這為兩個(gè)位置之間的熱傳遞創(chuàng)建了時(shí)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(xiàng)技術(shù)，必須解決熱電偶紅外溫度傳感器的一些特點(diǎn)。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(jī)械薄膜上（見(jiàn)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(gè)過(guò)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(hào)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(hào)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(hào)熱電偶的“冷”接頭位于散裝中。內(nèi)置溫度傳感器測(cè)量體溫，作為計(jì)算的參考點(diǎn)。在單個(gè)錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶上產(chǎn)生的電壓與兩個(gè)結(jié)之間的溫差成比例。比例系數(shù)稱為塞貝克系數(shù)：來(lái)自描述錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(hào)熱電偶的總電壓等于所有單個(gè)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(hào)熱電偶的數(shù)量乘以其中一個(gè)錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(hào)熱電偶輸出電壓的測(cè)量值計(jì)算物體溫度。?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶電壓的簡(jiǎn)化公式來(lái)自波爾茲曼定律和塞貝克效應(yīng)通過(guò)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(hào)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(chǎng)（FOV）。

    要正確測(cè)量物體的溫度，物體必須完全填滿傳感器的視場(chǎng)（FOV）。這確保了影響錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶的IR輻射僅來(lái)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(lái)自物體的較低IR信號(hào)具有較高的物體反射率，因?yàn)榉瓷渎?，透射率和吸光?發(fā)射率之和總計(jì)為1.這使得傳感器測(cè)量反射物體的溫度而不是感興趣的物體。因此，對(duì)于適當(dāng)?shù)腎R溫度測(cè)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(duì)象的表面可以解決此問(wèn)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(hào)熱電偶溫度或溫度傳感器具有非接觸式溫度測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，使其比標(biāo)準(zhǔn)的基于觸點(diǎn)的溫度傳感器更受歡迎。?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(dú)特的解決方案，可在許多受限應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)新級(jí)別的性能和可靠性。

     致力于電子設(shè)備熱管理的上海自動(dòng)化儀表有限公司自動(dòng)化三廠長(zhǎng)期以來(lái)一直享受數(shù)字溫度傳感IC的簡(jiǎn)單性和便利性。市場(chǎng)上新的集成錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(fèi)設(shè)備，醫(yī)療器械，辦公設(shè)備和家用電器創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

    小型錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(jī)。測(cè)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(yùn)行，同時(shí)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(jì)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(huì)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(chǎng)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(gè)問(wèn)題。但這是制造業(yè)的噩夢(mèng)，因?yàn)樗婕笆謩?dòng)裝配，可靠性差。

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

          IR溫度傳感器的另一個(gè)有吸引力的應(yīng)用是溫度監(jiān)控和移動(dòng)物體的控制，例如激光打印機(jī)中的加熱輥。在這些情況下，使用基于接觸的溫度傳感器會(huì)帶來(lái)許多缺點(diǎn)。例如，接觸點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)期間磨損。通過(guò)在傳感器上施加法向力來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的熱接觸會(huì)加劇這種情況。此外，聯(lián)系地點(diǎn)可能不在興趣點(diǎn)。這為兩個(gè)位置之間的熱傳遞創(chuàng)建了時(shí)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(xiàng)技術(shù)，必須解決熱電偶紅外溫度傳感器的一些特點(diǎn)。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(jī)械薄膜上（見(jiàn)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(gè)過(guò)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(hào)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(hào)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(hào)熱電偶的“冷”接頭位于散裝中。內(nèi)置溫度傳感器測(cè)量體溫，作為計(jì)算的參考點(diǎn)。在單個(gè)錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶上產(chǎn)生的電壓與兩個(gè)結(jié)之間的溫差成比例。比例系數(shù)稱為塞貝克系數(shù)：來(lái)自描述錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(hào)熱電偶的總電壓等于所有單個(gè)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(hào)熱電偶的數(shù)量乘以其中一個(gè)錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)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(hào)熱電偶輸出電壓的測(cè)量值計(jì)算物體溫度。?錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶電壓的簡(jiǎn)化公式來(lái)自波爾茲曼定律和塞貝克效應(yīng)通過(guò)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(hào)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(chǎng)（FOV）。

    要正確測(cè)量物體的溫度，物體必須完全填滿傳感器的視場(chǎng)（FOV）。這確保了影響錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶的IR輻射僅來(lái)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(lái)自物體的較低IR信號(hào)具有較高的物體反射率，因?yàn)榉瓷渎?，透射率和吸光?發(fā)射率之和總計(jì)為1.這使得傳感器測(cè)量反射物體的溫度而不是感興趣的物體。因此，對(duì)于適當(dāng)?shù)腎R溫度測(cè)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(duì)象的表面可以解決此問(wèn)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(cè)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(duì)大多數(shù)實(shí)際情況都是有效的。物體溫度可使用公式2推導(dǎo)出來(lái)：

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(hào)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(guò)IR輻射發(fā)生。在最小型的IR傳感器中，例如采用晶圓級(jí)芯片級(jí)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(duì)傳導(dǎo)和對(duì)流更敏感，這是另外兩種傳熱機(jī)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(hào)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(gè)系數(shù)來(lái)補(bǔ)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(shí)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(jì)算該偏移量并從每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶電壓中減去該偏移量，并且用于物體溫度計(jì)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(shí)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(bǔ)償。然后，對(duì)象溫度計(jì)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(huì)影響測(cè)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(guò)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(hào)熱電偶紅外溫度傳感器為非接觸式溫度測(cè)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(shí)施并不是一件容易的事情，但其優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)大于工程師為正常運(yùn)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(duì)都渴望在此過(guò)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(cè)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(duì)大多數(shù)實(shí)際情況都是有效的。物體溫度可使用公式2推導(dǎo)出來(lái)：

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(hào)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(guò)IR輻射發(fā)生。在最小型的IR傳感器中，例如采用晶圓級(jí)芯片級(jí)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(duì)傳導(dǎo)和對(duì)流更敏感，這是另外兩種傳熱機(jī)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(hào)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(gè)系數(shù)來(lái)補(bǔ)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(shí)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(jì)算該偏移量并從每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的錘紋型粉末涂高溫鉑銠R分度號(hào)熱電偶電壓中減去該偏移量，并且用于物體溫度計(jì)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(shí)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(bǔ)償。然后，對(duì)象溫度計(jì)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(huì)影響測(cè)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(guò)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(hào)熱電偶紅外溫度傳感器為非接觸式溫度測(cè)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(shí)施并不是一件容易的事情，但其優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)大于工程師為正常運(yùn)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(duì)都渴望在此過(guò)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。