Ano nga ba ang temperature sensor?

Una, tandaan ang pangungusap na ito: Ang sensor ng temperatura ay hindi "binabasa nang direkta ang temperatura", ngunit unang nararamdaman ang ilang partikular na pisikal na pagbabago sa ari-arian na dulot ng temperatura, pagkatapos ay iko-convert ang mga pagbabagong ito sa mga masusukat na signal, at sa wakas ay nakuha ng measurement circuit at algorithm ang halaga ng temperatura.

Gumagamit ka ng mga sensor ng temperatura araw-araw, ngunit bihira mong talagang mapansin ang mga ito. Alam ng mga air conditioner kung kailan titigil sa paglamig, maaaring mapanatili ng mga refrigerator ang itinakdang temperatura, masusubaybayan ng mga kotse ang katayuan ng makina, baterya at sistema ng paglamig, ang mga kagamitang pang-industriya ay maaaring magbigay ng alarma kapag ang temperatura ay abnormal - lahat ng mga function na ito ay may isang karaniwang pundasyon: unang "maramdaman ang temperatura", at pagkatapos ay ibigay ito sa control system para sa pagproseso.

I. Ano nga ba ang temperature sensor?

Mula sa pananaw ng engineering, ang sensor ng temperatura ay isang device na nagko-convert sa pisikal na dami ng temperatura sa mga nasusukat, naililipat, at naprosesong signal. Ang core nito ay hindi "pagpapakita ng isang numero", ngunit pagtatatag ng isang matatag at paulit-ulit na pagsusulatan sa pagitan ng "temperatura" at isang masusukat na pisikal na dami.

Ang masusukat na pisikal na dami na ito ay maaaring paglaban, boltahe, kasalukuyang, o analog o digital na signal na pinoproseso ng mga integrated circuit. Ang pagkakaiba sa iba't ibang teknikal na ruta ay mahalagang nakasalalay sa: anong pisikal na epekto ang ginagamit upang "maramdaman" ang temperatura, at kung paano tumpak na sukatin ang pagbabagong ito.

II. Paano nito iko-convert ang "temperatura" sa isang numero?

Ito ang pinakamahalagang hakbang sa pag-unawa sa sensor ng temperatura. Sa mahigpit na pagsasalita, ang sensor ay hindi direktang "nagbabasa ng 25.3 ℃". 25.3 ℃ ang resultang nakuha pagkatapos sumailalim sa conversion at pagkalkula ang buong chain ng pagsukat. Ang aktwal na nangyayari sa pinakaharap ay: binabago ng temperatura ang mga pisikal na katangian ng isang partikular na materyal o istraktura.

Pagbabago ng temperatura → Nararamdaman ang pagbabago ng property → Electrical signal → Pagkuha at conversion → Pagkalkula ng algorithm → Halaga ng temperatura

Karaniwang chain ng pagsukat ng temperatura: mula sa "pisikal na mundo" hanggang sa "digital na mundo"

Hakbang 1: Ang temperatura ay unang kumikilos sa sensitibong materyal

Kapag nagbago ang temperatura ng sinusukat na bagay, magbabago ang isang partikular na pisikal na katangian sa loob ng sensitibong elemento. Para sa paglaban ng platinum, ito ay pangunahing nagpapakita bilang isang pagbabago sa halaga ng paglaban; para sa mga thermocouple, ito ay isang pagbabago sa potensyal na thermoelectric; para sa mga thermistor ng NTC, ito ay isang pagbabago sa halaga ng paglaban na nag-iiba sa temperatura, at ang pagbabagong ito ay karaniwang may makabuluhang hindi linearity.

Narito ang isang partikular na mahalagang konsepto: Ang sinusukat ng sensor ng temperatura ay hindi "ang mismong temperatura", ngunit "ang nasusukat na mga pagbabago na dulot ng temperatura". Pagkatapos, gamit ang naka-calibrate na relasyon, ang pagbabagong ito ay inversely na kinakalkula upang makuha ang temperatura.

Hakbang 2: I-convert ang pagbabago sa isang electrical signal

Kunin ang paglaban sa platinum bilang isang halimbawa, kapag tumaas ang temperatura, magbabago ang halaga ng paglaban ng platinum ayon sa katangian ng paglaban-temperatura nito. Ang circuit ng pagsukat ay naglalapat ng angkop na paggulo sa paglaban ng platinum, upang ang pagbabago sa halaga ng paglaban ay maipakita bilang nasusukat na boltahe, kasalukuyang o tulay na output.

Ito ang dahilan kung bakit ang isang elemento ng paglaban sa platinum na ilang milimetro lamang ang sukat ay maaaring aktwal na magsagawa ng pinaka-front-end at kritikal na "temperatura → dami ng kuryente" na conversion sa kumpletong chain ng pagsukat ng temperatura. Ang elemento mismo ay maaari lamang maglabas ng pagbabago sa halaga ng paglaban, ngunit ang "℃" ay nangangailangan ng kasunod na circuit upang makumpleto ang conversion.

Hakbang 3: "Binabasa" ng Acquisition circuit ang maliliit na pagbabago

Ang output ng sensor ay madalas na hindi natural na angkop na karaniwang numero. Halimbawa, ang RTD ay naglalabas ng halaga ng paglaban, at ang mga thermocouple ay naglalabas ng millivolt-level na thermoelectric na potensyal. Kailangang i-excite, i-sample, palakasin, i-filter o i-compensate ng measurement circuit ang mga signal na ito para paganahin ang kasunod na analog-to-digital converter na makakuha ng sapat na stable at magagamit na data.

Para sa RTD, kung ang kasalukuyang paggulo ay masyadong malaki, bubuo ito ng self-heating, na magiging sanhi ng pagtaas ng temperatura ng sensitibong elemento, at sa gayon ay nagpapakilala ng mga karagdagang error. Samakatuwid, ang "kung paano sukatin" ay bahagi mismo ng katumpakan ng pagsukat ng temperatura, hindi ang pagtatapos ng pagpili ng sensor.

Hakbang 4: Analog-to-digital na conversion, na nagko-convert ng tuluy-tuloy na pagbabago sa mga digital na dami

Kung gumagamit ang system ng digital controller, karaniwang kailangang i-convert ng acquisition circuit ang analog voltage o current sa mga digital code sa pamamagitan ng analog-to-digital converter (ADC). Halimbawa, pagkatapos ma-sample ng ADC ang analog na boltahe na tumutugma sa pagbabago ng paglaban, ang controller ay tumatanggap ng isang serye ng mga digit sa halip na isang pisikal na temperatura tulad ng "25 ℃".

Sa puntong ito, ang sistema ay lumipat mula sa "pagsusukat ng mga de-koryenteng signal" patungo sa "yugto ng pagkalkula".

Hakbang 5: Kalkulahin ang temperatura batay sa pagkakalibrate na relasyon

Sa wakas, kino-convert ng controller ang digital na dami sa isang halaga ng temperatura ayon sa paglaban-temperatura o boltahe-temperatura na relasyon na naaayon sa sensor. Ang prosesong ito ay maaaring gumamit ng table lookup, formula calculation o calibration coefficients. Para sa mga karaniwang platinum resistors, ito ay mako-convert din kasama ng kaukulang standard na formula at accuracy grade.

Kaya ang "25.3 ℃" na nakikita mo ay talagang resulta ng pinagsamang gawain ng buong chain ng pagsukat, sa halip na isang direktang digital na halaga na ginawa ng isang bahagi ng sensor.

Ang talagang nararapat tandaan ay: ang sensor ng temperatura ay may pananagutan para sa "pag-unawa", ang circuit ng pagsukat ay responsable para sa "pagbabasa", at ang algorithm at control system ay may pananagutan para sa "pag-unawa".

III. Mga Pangwakas na Pag-iisip: Ang talagang ginagawa ng sensor ng temperatura ay gawing "data" ang "sensation"

Pagbabalik sa tanong sa simula ng artikulo: Ano nga ba ang temperatura sensor?

Sa isang pangungusap: Hindi nito direktang "nakikita" ang temperatura, ngunit nararamdaman ang mga pisikal na pagbabago na dulot ng temperatura, pagkatapos ay iko-convert ang mga pagbabagong ito sa mga electrical signal, sa pamamagitan ng pagkuha, conversion, pagkakalibrate at pagkalkula, at sa wakas ay nakuha ang halaga ng temperatura na nakikita natin.

Ang pag-unawa dito, maraming kasunod na mga tanong ang magiging mas madali: Bakit nakatuon ang RTD sa ugnayan ng paglaban sa temperatura? Bakit kailangan ng thermocouple ng cold junction compensation? Bakit binibigyang-diin ng NTC ang halaga ng B? Bakit nakakaapekto sa RTD ang pagsukat ng kasalukuyang? Bakit nakakaapekto ang paraan ng pag-install ng sensor sa resulta? Bakit kailangang sumailalim sa mga pagsubok sa kapaligiran at mekanikal ang mga produktong mataas ang pagiging maaasahan?

Dahil lahat sila ay mahalagang sumasagot sa parehong tanong: Paano gawing matatag, tumpak at mauulit ang "mga pagbabago sa temperatura" sa "kapanipaniwalang data".

——Na-extract mula sa isang peer-reviewed na pampublikong account