溫度傳感器項目：簡介

2020-08-27

表面上看起來溫度傳感器是如此簡單，但是它們的作用比您最初想象的要多得多，其中包括各種傳感器類型。在本系列中，我們將構建一系列PCB，這些PCB將涵蓋所有溫度傳感器類型和實現它們的電路。我們還將構建一對主機  微控制器板，  以收集數據并相互評估  傳感器  。最后，我們將所有不同類型的傳感器安裝在這些主板之一上，并將所有傳感器置于不同的環境條件下。這將使我們能夠查看傳感器的比較方式，并就適合您的需求，應用和預算的傳感器提出建議。

溫度傳感器  對許多行業至關重要。即使在您的PCB上，也可以使用溫度傳感器來確保來自其他傳感器的準確數據，并防止電路板過熱。

溫度傳感器類型

負溫度系數（NTC）熱敏電阻

正溫度系數（PTC）熱敏電阻

電阻溫度檢測器（RTD）

模擬溫度傳感器IC

數字溫度傳感器IC

熱電偶

在介紹特定類型的傳感器之前，讓我們先談談使用溫度傳感器的一般注意事項。假設您試圖感應外部溫度。在這種情況下，布局注意事項將與您嘗試檢測關鍵組件或PCB區域的溫度時有所不同。同樣，如果您測量PCB上的溫度，那么還有另一組注意事項。

此外，您還需要考慮傳感器的自發熱和熱質量。

從PCB感測外部溫度

如果您想感應外部溫度，則必須盡可能將傳感器與PCB隔離開。執行此操作的最常見和最有效的方法是物理隔離傳感器。如果您要進行精確的溫度測量或要提供盡可能多的傳感器，僅將溫度傳感器放在板的邊緣是不夠的，因為熱量會通過基板傳導到傳感器中。所有電路都會通過電阻損耗產生熱量，某些電路板比其他電路板要多得多，因此物理隔離至關重要。 

將溫度傳感器放置在盡可能遠離電路板上任何熱源的位置，這是絕佳的第一步。在溫度傳感器周圍添加一個銑削插槽，可以完成隔離。確保留有足夠的PCB，以使傳感器不會像面板上的選項卡板那樣折斷。它應該足夠堅固，可以處理并經過組裝過程，并且還要考慮應用程序的要求-沖擊，振動等。

如果您還考慮了任何機箱，這將有所幫助。外殼應允許良好的空氣流向傳感器，但如果可能的話，則不允許來自電路板其余部分的空氣流。外殼還應該不能將熱量傳遞給傳感器，因此不要觸摸傳感器所在的隔離電路板的任何部分。

當您開始使用溫度傳感器時，您可能會開始質疑現實的結構。當您開始嘗試在沒有大量實驗室設備的情況下準確地測量溫度時，您會開始感覺到不可能這樣做。什么是21°C？我們怎么知道實際上不是20.9°C或22°C，我們在乎嗎？

感應板載溫度

假設您要從電路板本身檢測PCB的某一部分或特定組件的溫度。在這種情況下，您需要做與上述建議完全相反的事情。這意味著確保您的傳感器與該區域的連接盡可能多。我們將在本系列的后面部分討論一種非常有趣的傳感器，即Microchip EMC1833T，它使您可以遠程感應二極管。它專門針對支持它的IC的片上溫度感測-包括您可能已經開發的定制ASIC。

對于大多數傳感器，您將希望以盡可能低的熱阻將熱量帶入傳感器的芯片或電阻元件中。如果設備帶有  散熱器，請嘗試與溫度傳感器共享該散熱器。否則，將傳感器組件放置在盡可能靠近設備或電路板高溫區域的位置，并且理想情況下，應將其與用作散熱片的銅澆鑄件電氣連接。這種電氣連接（可能是電源或接地網）可以幫助將熱量直接帶入傳感器的芯片中。

板外溫度感測

當您需要感測電路板上某些物體（例如機器）的溫度時，選擇傳感器類型對項目的成功至關重要。大多數類型的電阻溫度傳感器都不是理想的選擇，因為電纜電阻會影響您的感測溫度。通常，電纜解決方案在工業環境中會帶來巨大挑戰，因為電磁干擾會在電纜上感應出電壓和電流設備和機械中的信號可能會損害您的感應精度。對于具有模擬輸出的傳感器，必須使用適當的屏蔽電纜。同樣，如果板與傳感器之間的距離過長，則具有I2C接口的數字傳感器可能也不可行，因為對于長信號路徑而言，I2C并不是一個很好的選擇。根據溫度范圍，使用諸如熱電偶之類的傳感器可能是您的選擇，并且是工業環境下的理想選擇。

傳感器自發熱

電路板上的所有組件在運行時都會產生一定量的熱量。在溫度傳感器中，這對于準確的溫度讀數可能是災難性的，因為設備自身的電阻損耗會導致采樣溫度出現溫度偏移。如果您需要高的精度，那么選擇電流非常低的設備，或者在電流非常低的情況下操作電阻設備將為您提供更加精確的溫度結果。

熱質量

我參與的項目中，我們向傳感器添加了大量的熱質量，因此它可以準確表示對項目重要的溫度。例如，在商用冰箱或冰柜中，將熱量添加到監視肉制品溫度的設備中，即使打開和關閉門，也可以收集正確的溫度。熱質量的作用有點像熱容。

在其他情況下，任何數量的熱質量可能會導致您遇到問題，因為感測到的溫度落后于實際溫度。將傳感器直接連接到大型電路板或銅質區域而沒有隔離，這將使您無法輕松檢測環境溫度的微小變化或快速變化。傳感器和整個電路板需要加熱或冷卻至新的局部溫度，然后才能獲得準確的溫度讀數。對于需要獲取能夠準確反映環境的高頻讀數的傳感器，一定程度地降低熱質量是重要的一步。

傳感器公差和精度

在為項目添加溫度傳感器或使項目基于傳感溫度之前，您需要了解一些內容。就是您將永遠無法使用任何IC或板上安裝的組件來測量溫度。您所能測量的只是一個近似溫度-重要的是，該近似溫度是否足夠精確。對于某些應用，具有精確至5°C的傳感器就足夠了。如果要監視過程中的臨界溫度，則0.1°C可能不夠好。知道精確的溫度實際上對我們來說是不可能的，這取決于使項目工作需要了解的精確度。市場上的大多數傳感器都不會為您提供超過小數點后一位的精度，許多精度都不會給您帶來超過1°C的精度，有些甚至無法提供那么高的精度。在傳感器本身或支持電路中，更高的精度通常會帶來更高的實現成本。

除了準確性，我們還有寬容。您可以使用具有寬公差范圍的非常精確的溫度傳感器，也可以有具有寬精度范圍的非常緊密的公差傳感器。如果您想到的是射箭，則公差很嚴格但準確性較低，這可能是將所有箭頭非常緊密地分組，甚至每個箭頭都將下一個箭頭拆分了-但距離靶心不是很近。一個非常準確但容忍度低的傳感器可能是您的所有拍攝都圍繞著靶心聚集在一起的地方，但從未完全擊中它。雖然大多數傳感器往往具有非常高的精度和非常嚴格的公差，或者非常低的精度和非常寬的公差，但是您會發現不止一種傳感器，或者兩者都有。

對于某些應用，非常嚴格的公差可能比傳感器報告的溫度的絕對精度更為重要。如果傳感器已在實驗室進行了表征以了解其報告方式，則可以通過軟件處理精度的偏差。如果您采集1000個樣本，則即使在所有讀數相差2°C的情況下，它們也幾乎是相同的，并且公差非常嚴格。

在其他應用中，了解實際溫度可能更重要。如果您獲取1000個傳感器讀數，則它們的讀數都會有所變化，但通常會以實際溫度為中心。您可以獲取這些讀數并取平均值，以更好地了解實際溫度。但是，每個瞬時讀數都略有偏離。

相對于其他選項，諸如熱敏電阻之類的低成本傳感器可能具有較差的精度和較差的容差。這些傳感器可以用于需要溫度的一般應用的場合，例如電路板的熱保護。用早期的類比，這樣的傳感器更像是一個初學者的弓箭手在目標上射擊，他們的射擊遍及整個目標，有些甚至可能會一起錯過…但是至少您對目標區域有一個大致的了解。

傳感器測試板

每周我們將學習不同類型的溫度傳感器。但是，它們都將具有一個通用的界面以方便其測試。我們將有兩個不同的主機板，一個可以連接并監視所有不同的傳感器，另一個可以快速測試單個傳感器。這兩個選項都將具有一個啟用USB的微控制器來執行數據收集。

每個傳感器的頂部和底部都有一個夾層連接器，以允許它們堆疊，并且在與傳感器相對的電路板末端上設有一組觸點。這些觸點將允許將傳感器插入單個傳感器測試主機上的卡邊緣連接器。

可堆疊的連接將使多傳感器測試儀上的傳感器密度很高，從而確保所有傳感器周圍的環境溫度均勻。這樣，我們可以通過垂直走動將許多傳感器安裝在較小的區域中，但仍要保持傳感器周圍的清潔空氣。我們將測試超出其整個額定溫度范圍的傳感器，并查看傳感器對溫度變化的響應速度，以便使所有傳感器在清潔的空氣中但距離不要太遠，以便進行更好的比較。

傳感器板模板

因為我們將要制作整個系列的傳感器板，所以我認為制作一個模板項目是一個好主意，該項目的原理圖和電路板已經定義了連接器。這將確保板卡堆疊良好，連接良好，并且每個板卡節省大量時間。

Altium中的模板非常易于實現。在其他軟件（不僅是ECAD軟件包）中，創建模板可能確實很麻煩，而Altium并沒有任何特定的文件類型或模板要求，只需將PCB，原理圖或完整項目放入模板目錄即可。下次重新啟動時，它將可用。我要指出的一點是，要確保在模板中僅使用已安裝的庫或Altium365中的庫，以便Altium始終可以找到所使用的封裝和符號。如果尚未切換到Altium365，則已添加到“基于文件的庫首選項”的“已安裝”選項卡中的數據庫庫或已編譯的集成庫是不錯的選擇。

模擬和數字傳感器板將具有相同的板布局，但是，連接器上的電氣連接將有所不同。我正在使用Hirose DF12（3.0）-14D系列夾層連接器來堆疊板，因為它們是最常用和便宜的連接器之一。板之間3mm的高度非常適合這些傳感器，允許緊湊的堆棧，但是每種傳感器類型仍應能夠安裝在板之間，而不受上或下板的影響。

模擬溫度傳感器模板

要創建項目模板，我們可以像其他任何項目一樣，在您通常的目錄中創建一個項目。然后，按照通常的方式添加原理圖和PCB。

繼續按照您仍然要構建項目的主題，添加原理圖的部分，這些部分對于使用此模板的所有項目都是通用的。對于此項目，我將添加兩個具有相同布局的夾層連接器。在庫中創建封裝時，請確保引腳1與配對連接器的引腳1匹配。即使可能與制造商在其制造圖紙中的引腳編號不太匹配，此決定也使創建堆棧非常容易。

使用14針連接器，我可以同時擁有3.3V和5V電源以及十個模擬通道。雖然我可以堆疊十塊板，但我們將要使用的幾種模擬傳感器拓撲將能夠利用差分對作為輸出，并且我們的主機板將具有可支持差分對的ADC輸入。

如前所述，我還希望能夠將單個板卡插入可以與單個傳感器卡一起使用的板卡，以便快速，輕松地驗證板卡或測試傳感器。為此，我希望板的末端具有觸點，以便可以將其插入卡邊緣連接器中。

由于不需要到卡邊緣主機的10個模擬通道，因此我使用了兩個零歐姆電阻作為網絡連接，如果我想隔離與終端啟動板的模擬連接，也可以拆焊它們。卡邊緣連接器將是TE 5650118-3，它提供12個連接引腳。不過，我仍然希望能夠在任一方向上插入傳感器板而不會炸東西，因此底部的連接與頂部的連接相同-只是顛倒了。對于模板，我沒有向電阻器提供任何輸入網絡，因為這將取決于特定的板傳感器實現及其使用的模擬通道。對于非差分傳感器連接，可以在傳感器原理圖中將負極側接地。

我在PCB上增加了一個3mm的安裝孔，因此疊層不僅僅由夾層連接器支撐。我希望已將板子的尺寸定得足夠大，以適應我們要使用的每種傳感器拓撲，板子的寬度為25mm，邊緣連接器長50mm。

我 為通道添加了  絲印鍵，因此可以在傳感器將要使用的每個模擬通道框中添加填充區域，以確保在構建傳感器堆棧時，我不會將兩個通道連接在一起到同一模擬端口。我還添加了一些虛擬文本，因此每塊板將在同一位置添加傳感器類型和拓撲描述，這將在最后為我提供一組不錯的傳感器。

正如我在本文開頭提到的那樣，我們需要確保傳感器與電路板的其余部分熱隔離。我在布線層上增加了一個3mm的布線槽，它將為電路板的末端提供熱隔離。這將使我能夠在安裝孔和插槽之間安裝任何放大器或其他熱源，并且溫度感應元件應遠離它。要在板上添加插槽時要記住的重要一點是添加與插槽路徑相同的保持路徑。沒有什么可以阻止您意外地跨槽布線！幸運的是，在將最終文件發送到制造公司之前進行最終檢查時，我總是設法在這里捕捉到我的錯誤-但這有時是非常接近的！

在測試傳感器的響應率時，我希望有一個一致的電路板面積，因此每個傳感器都應一視同仁-在我們構建傳感器板時，我將盡量不要修改此插槽的大小或位置。

盡管這一切看起來都不錯，并且可以確保一致的布局-像這樣的項目模板最強大的功能之一，就是在其中我們構建幾乎所有相同的電路板的整個過程中，是可以將所有常用的布線都放置到位。

布線不會花費太長時間，但是當您需要在每個電路板相同的情況下進行20次或更多次操作時，此模板將節省大量時間！

您可能還注意到，在上圖中，我還在模板中包括了面板化功能。

我在銑槽的切口處添加了未電鍍的焊盤，以創建鼠標輕咬功能，這些功能會創建一些標簽，這些標簽可以在制造設計時輕松拆下。我想保持兩端的布線整潔，并且不希望將V形記分的粗糙邊緣一直拖到板子的長邊上-因此，用鼠標輕咬選項卡是保持相對干凈的板子邊緣的好選擇。通過將鉆頭恰好位于電路板輪廓上方，可以減少標簽從電路板上伸出的程度。這些板將不會進入緊密配合的外殼中，因此，電路板折斷片的尺寸公差差將不會導致任何配合或功能問題。

由于傳感器板之間的匹配高度為3mm，我們希望添加一條規則以確保不能放置任何會撞到上方組件的組件。每個堆棧最多只能有一塊板，其頂部組件的高度要比3mm高。

除了我們通常的設計規則外，我還更改了默認的“放置/高度”規則，以將高度限制為2.9mm。每個組件都有一個精確的3D模型，包括所有電容器，這將確保我不會意外放置電容器或其他過高的組件。

最后，我們可以將其添加到Altium模板目錄中。您可以轉到“首選項”，“數據管理”，“模板”找到模板目錄。默認情況下為C：\ Users \ Public \ Documents \ Altium AD20 \ Templates \。

然后，只需將PrjPCB，pcbdoc和schdoc文件復制并粘貼到該目錄中即可。重新啟動Altium后，您將在創建新項目時看到可用的項目模板。

數字溫度傳感器模板

我不是從頭開始使用數字溫度傳感器，而是要復制模擬項目模板并對所需的原理圖進行更改，然后在板上重新布線。 

需要完全更改連接器的引腳排列，以支持我們的兩個數字協議：SPI和I2C。所有額外的引腳都專用于基于SPI的傳感器的芯片選擇線。這意味著多傳感器板將需要具有知道哪個傳感器在哪個芯片選擇線上的固件。 

卡邊緣連接器沒有我想要的那么優雅。由于板子在插槽中是可逆的，因此觸點數量不足，無法同時暴露SPI和I2C。我找不到能滿足電路板設計3mm高度限制的低成本雙擲開關，因此我使用選擇性填充的電阻器。雖然模板具有所有四個電阻，但我打算在最終板上完全刪除未使用的電阻。

就像在模擬設計上一樣，我有一個電阻作為芯片選擇線的網絡連接，以允許將正確的芯片選擇線映射到卡邊緣連接器上的引腳。

[MARK IMAGE]

該板看起來與模擬板非常相似，   因為我剛剛為其更新了原理圖，因此當我們開始測試設計時，一切都將保持一致。重要的是要確保由于板子設計，數字傳感器與模擬傳感器相比在性能上不會有任何假陽性或陰性。我們想要對傳感器進行干凈的比較，而不是它們的安裝方法。

與模擬設計一樣，我有一塊絲網印刷以標記該特定板使用SPI時正在使用的芯片選擇線。這將使我確保堆棧僅包含的芯片選擇。

與模擬板一樣，已經為每個傳感器板完成了連接器布線，這將為我節省很多時間。這將使我專注于傳感器，而不是每個板的所有連接器布線。

溫度傳感器類型

作為本系列文章的一部分，我們將深入研究使用所有主要類型的傳感器。我們將使用在此創建的模板為每個主要拓撲（使用傳感器的類型）創建模板來構建傳感器卡，以便我們可以在現實世界中對它們進行比較。雖然某些拓撲肯定比其他拓撲好，但有趣的是，面對現實條件時，它有多重要。

我們將評估：

負溫度系數（NTC）熱敏電阻

正溫度系數（PTC）熱敏電阻

電阻溫度檢測器（RTD）

模擬溫度傳感器IC

數字溫度傳感器IC

熱電偶

在本系列的最后，我們將設計兩個主板，然后有機會使所有傳感器在各種令人不愉快的極端溫度下并肩作戰！