温度传感器项目：简介

2020-08-27

表面上看起来温度传感器是如此简单，但是它们的作用(yòng)比您最初想象的要多(duō)得多(duō)，其中包括各种传感器类型。在本系列中，我们将构建一系列PCB，这些PCB将涵盖所有(yǒu)温度传感器类型和实现它们的電(diàn)路。我们还将构建一对主机  微控制器板，  以收集数据并相互评估  传感器  。最后，我们将所有(yǒu)不同类型的传感器安装在这些主板之一上，并将所有(yǒu)传感器置于不同的环境条件下。这将使我们能(néng)够查看传感器的比较方式，并就适合您的需求，应用(yòng)和预算的传感器提出建议。

温度传感器  对许多(duō)行业至关重要。即使在您的PCB上，也可(kě)以使用(yòng)温度传感器来确保来自其他(tā)传感器的准确数据，并防止電(diàn)路板过热。

温度传感器类型

负温度系数（NTC）热敏電(diàn)阻

正温度系数（PTC）热敏電(diàn)阻

電(diàn)阻温度检测器（RTD）

模拟温度传感器IC

数字温度传感器IC

热電(diàn)偶

在介绍特定类型的传感器之前，让我们先谈谈使用(yòng)温度传感器的一般注意事项。假设您试图感应外部温度。在这种情况下，布局注意事项将与您尝试检测关键组件或PCB區(qū)域的温度时有(yǒu)所不同。同样，如果您测量PCB上的温度，那么还有(yǒu)另一组注意事项。

此外，您还需要考虑传感器的自发热和热质量。

从PCB感测外部温度

如果您想感应外部温度，则必须尽可(kě)能(néng)将传感器与PCB隔离开。执行此操作的最常见和最有(yǒu)效的方法是物(wù)理(lǐ)隔离传感器。如果您要进行精确的温度测量或要提供尽可(kě)能(néng)多(duō)的传感器，仅将温度传感器放在板的边缘是不够的，因為(wèi)热量会通过基板传导到传感器中。所有(yǒu)電(diàn)路都会通过電(diàn)阻损耗产生热量，某些電(diàn)路板比其他(tā)電(diàn)路板要多(duō)得多(duō)，因此物(wù)理(lǐ)隔离至关重要。 

将温度传感器放置在尽可(kě)能(néng)遠(yuǎn)离電(diàn)路板上任何热源的位置，这是绝佳的第一步。在温度传感器周围添加一个铣削插槽，可(kě)以完成隔离。确保留有(yǒu)足够的PCB，以使传感器不会像面板上的选项卡板那样折断。它应该足够坚固，可(kě)以处理(lǐ)并经过组装过程，并且还要考虑应用(yòng)程序的要求-冲击，振动等。

如果您还考虑了任何机箱，这将有(yǒu)所帮助。外壳应允许良好的空气流向传感器，但如果可(kě)能(néng)的话，则不允许来自電(diàn)路板其余部分(fēn)的空气流。外壳还应该不能(néng)将热量传递给传感器，因此不要触摸传感器所在的隔离電(diàn)路板的任何部分(fēn)。

当您开始使用(yòng)温度传感器时，您可(kě)能(néng)会开始质疑现实的结构。当您开始尝试在没有(yǒu)大量实验室设备的情况下准确地测量温度时，您会开始感觉到不可(kě)能(néng)这样做。什么是21°C？我们怎么知道实际上不是20.9°C或22°C，我们在乎吗？

感应板载温度

假设您要从電(diàn)路板本身检测PCB的某一部分(fēn)或特定组件的温度。在这种情况下，您需要做与上述建议完全相反的事情。这意味着确保您的传感器与该區(qū)域的连接尽可(kě)能(néng)多(duō)。我们将在本系列的后面部分(fēn)讨论一种非常有(yǒu)趣的传感器，即Microchip EMC1833T，它使您可(kě)以遠(yuǎn)程感应二极管。它专门针对支持它的IC的片上温度感测-包括您可(kě)能(néng)已经开发的定制ASIC。

对于大多(duō)数传感器，您将希望以尽可(kě)能(néng)低的热阻将热量带入传感器的芯片或電(diàn)阻元件中。如果设备带有(yǒu)  散热器，请尝试与温度传感器共享该散热器。否则，将传感器组件放置在尽可(kě)能(néng)靠近设备或電(diàn)路板高温區(qū)域的位置，并且理(lǐ)想情况下，应将其与用(yòng)作散热片的铜浇铸件電(diàn)气连接。这种電(diàn)气连接（可(kě)能(néng)是電(diàn)源或接地网）可(kě)以帮助将热量直接带入传感器的芯片中。

板外温度感测

当您需要感测電(diàn)路板上某些物(wù)體(tǐ)（例如机器）的温度时，选择传感器类型对项目的成功至关重要。大多(duō)数类型的電(diàn)阻温度传感器都不是理(lǐ)想的选择，因為(wèi)電(diàn)缆電(diàn)阻会影响您的感测温度。通常，電(diàn)缆解决方案在工业环境中会带来巨大挑战，因為(wèi)電(diàn)磁干扰会在電(diàn)缆上感应出電(diàn)压和電(diàn)流设备和机械中的信号可(kě)能(néng)会损害您的感应精度。对于具有(yǒu)模拟输出的传感器，必须使用(yòng)适当的屏蔽電(diàn)缆。同样，如果板与传感器之间的距离过長(cháng)，则具有(yǒu)I2C接口的数字传感器可(kě)能(néng)也不可(kě)行，因為(wèi)对于長(cháng)信号路径而言，I2C并不是一个很(hěn)好的选择。根据温度范围，使用(yòng)诸如热電(diàn)偶之类的传感器可(kě)能(néng)是您的选择，并且是工业环境下的理(lǐ)想选择。

传感器自发热

電(diàn)路板上的所有(yǒu)组件在运行时都会产生一定量的热量。在温度传感器中，这对于准确的温度读数可(kě)能(néng)是灾难性的，因為(wèi)设备自身的電(diàn)阻损耗会导致采样温度出现温度偏移。如果您需要高的精度，那么选择電(diàn)流非常低的设备，或者在電(diàn)流非常低的情况下操作電(diàn)阻设备将為(wèi)您提供更加精确的温度结果。

热质量

我参与的项目中，我们向传感器添加了大量的热质量，因此它可(kě)以准确表示对项目重要的温度。例如，在商(shāng)用(yòng)冰箱或冰柜中，将热量添加到监视肉制品温度的设备中，即使打开和关闭门，也可(kě)以收集正确的温度。热质量的作用(yòng)有(yǒu)点像热容。

在其他(tā)情况下，任何数量的热质量可(kě)能(néng)会导致您遇到问题，因為(wèi)感测到的温度落后于实际温度。将传感器直接连接到大型電(diàn)路板或铜质區(qū)域而没有(yǒu)隔离，这将使您无法轻松检测环境温度的微小(xiǎo)变化或快速变化。传感器和整个電(diàn)路板需要加热或冷却至新(xīn)的局部温度，然后才能(néng)获得准确的温度读数。对于需要获取能(néng)够准确反映环境的高频读数的传感器，一定程度地降低热质量是重要的一步。

传感器公差和精度

在為(wèi)项目添加温度传感器或使项目基于传感温度之前，您需要了解一些内容。就是您将永遠(yuǎn)无法使用(yòng)任何IC或板上安装的组件来测量温度。您所能(néng)测量的只是一个近似温度-重要的是，该近似温度是否足够精确。对于某些应用(yòng)，具有(yǒu)精确至5°C的传感器就足够了。如果要监视过程中的临界温度，则0.1°C可(kě)能(néng)不够好。知道精确的温度实际上对我们来说是不可(kě)能(néng)的，这取决于使项目工作需要了解的精确度。市场上的大多(duō)数传感器都不会為(wèi)您提供超过小(xiǎo)数点后一位的精度，许多(duō)精度都不会给您带来超过1°C的精度，有(yǒu)些甚至无法提供那么高的精度。在传感器本身或支持電(diàn)路中，更高的精度通常会带来更高的实现成本。

除了准确性，我们还有(yǒu)宽容。您可(kě)以使用(yòng)具有(yǒu)宽公差范围的非常精确的温度传感器，也可(kě)以有(yǒu)具有(yǒu)宽精度范围的非常紧密的公差传感器。如果您想到的是射箭，则公差很(hěn)严格但准确性较低，这可(kě)能(néng)是将所有(yǒu)箭头非常紧密地分(fēn)组，甚至每个箭头都将下一个箭头拆分(fēn)了-但距离靶心不是很(hěn)近。一个非常准确但容忍度低的传感器可(kě)能(néng)是您的所有(yǒu)拍摄都围绕着靶心聚集在一起的地方，但从未完全击中它。虽然大多(duō)数传感器往往具有(yǒu)非常高的精度和非常严格的公差，或者非常低的精度和非常宽的公差，但是您会发现不止一种传感器，或者两者都有(yǒu)。

对于某些应用(yòng)，非常严格的公差可(kě)能(néng)比传感器报告的温度的绝对精度更為(wèi)重要。如果传感器已在实验室进行了表征以了解其报告方式，则可(kě)以通过软件处理(lǐ)精度的偏差。如果您采集1000个样本，则即使在所有(yǒu)读数相差2°C的情况下，它们也几乎是相同的，并且公差非常严格。

在其他(tā)应用(yòng)中，了解实际温度可(kě)能(néng)更重要。如果您获取1000个传感器读数，则它们的读数都会有(yǒu)所变化，但通常会以实际温度為(wèi)中心。您可(kě)以获取这些读数并取平均值，以更好地了解实际温度。但是，每个瞬时读数都略有(yǒu)偏离。

相对于其他(tā)选项，诸如热敏電(diàn)阻之类的低成本传感器可(kě)能(néng)具有(yǒu)较差的精度和较差的容差。这些传感器可(kě)以用(yòng)于需要温度的一般应用(yòng)的场合，例如電(diàn)路板的热保护。用(yòng)早期的类比，这样的传感器更像是一个初學(xué)者的弓箭手在目标上射击，他(tā)们的射击遍及整个目标，有(yǒu)些甚至可(kě)能(néng)会一起错过…但是至少您对目标區(qū)域有(yǒu)一个大致的了解。

传感器测试板

每周我们将學(xué)习不同类型的温度传感器。但是，它们都将具有(yǒu)一个通用(yòng)的界面以方便其测试。我们将有(yǒu)两个不同的主机板，一个可(kě)以连接并监视所有(yǒu)不同的传感器，另一个可(kě)以快速测试单个传感器。这两个选项都将具有(yǒu)一个启用(yòng)USB的微控制器来执行数据收集。

每个传感器的顶部和底部都有(yǒu)一个夹层连接器，以允许它们堆叠，并且在与传感器相对的電(diàn)路板末端上设有(yǒu)一组触点。这些触点将允许将传感器插入单个传感器测试主机上的卡边缘连接器。

可(kě)堆叠的连接将使多(duō)传感器测试仪上的传感器密度很(hěn)高，从而确保所有(yǒu)传感器周围的环境温度均匀。这样，我们可(kě)以通过垂直走动将许多(duō)传感器安装在较小(xiǎo)的區(qū)域中，但仍要保持传感器周围的清洁空气。我们将测试超出其整个额定温度范围的传感器，并查看传感器对温度变化的响应速度，以便使所有(yǒu)传感器在清洁的空气中但距离不要太遠(yuǎn)，以便进行更好的比较。

传感器板模板

因為(wèi)我们将要制作整个系列的传感器板，所以我认為(wèi)制作一个模板项目是一个好主意，该项目的原理(lǐ)图和電(diàn)路板已经定义了连接器。这将确保板卡堆叠良好，连接良好，并且每个板卡节省大量时间。

Altium中的模板非常易于实现。在其他(tā)软件（不仅是ECAD软件包）中，创建模板可(kě)能(néng)确实很(hěn)麻烦，而Altium并没有(yǒu)任何特定的文(wén)件类型或模板要求，只需将PCB，原理(lǐ)图或完整项目放入模板目录即可(kě)。下次重新(xīn)启动时，它将可(kě)用(yòng)。我要指出的一点是，要确保在模板中仅使用(yòng)已安装的库或Altium365中的库，以便Altium始终可(kě)以找到所使用(yòng)的封装和符号。如果尚未切换到Altium365，则已添加到“基于文(wén)件的库首选项”的“已安装”选项卡中的数据库库或已编译的集成库是不错的选择。

模拟和数字传感器板将具有(yǒu)相同的板布局，但是，连接器上的電(diàn)气连接将有(yǒu)所不同。我正在使用(yòng)Hirose DF12（3.0）-14D系列夹层连接器来堆叠板，因為(wèi)它们是最常用(yòng)和便宜的连接器之一。板之间3mm的高度非常适合这些传感器，允许紧凑的堆栈，但是每种传感器类型仍应能(néng)够安装在板之间，而不受上或下板的影响。

模拟温度传感器模板

要创建项目模板，我们可(kě)以像其他(tā)任何项目一样，在您通常的目录中创建一个项目。然后，按照通常的方式添加原理(lǐ)图和PCB。

继续按照您仍然要构建项目的主题，添加原理(lǐ)图的部分(fēn)，这些部分(fēn)对于使用(yòng)此模板的所有(yǒu)项目都是通用(yòng)的。对于此项目，我将添加两个具有(yǒu)相同布局的夹层连接器。在库中创建封装时，请确保引脚1与配对连接器的引脚1匹配。即使可(kě)能(néng)与制造商(shāng)在其制造图纸中的引脚编号不太匹配，此决定也使创建堆栈非常容易。

使用(yòng)14针连接器，我可(kě)以同时拥有(yǒu)3.3V和5V電(diàn)源以及十个模拟通道。虽然我可(kě)以堆叠十块板，但我们将要使用(yòng)的几种模拟传感器拓扑将能(néng)够利用(yòng)差分(fēn)对作為(wèi)输出，并且我们的主机板将具有(yǒu)可(kě)支持差分(fēn)对的ADC输入。

如前所述，我还希望能(néng)够将单个板卡插入可(kě)以与单个传感器卡一起使用(yòng)的板卡，以便快速，轻松地验证板卡或测试传感器。為(wèi)此，我希望板的末端具有(yǒu)触点，以便可(kě)以将其插入卡边缘连接器中。

由于不需要到卡边缘主机的10个模拟通道，因此我使用(yòng)了两个零欧姆電(diàn)阻作為(wèi)网络连接，如果我想隔离与终端启动板的模拟连接，也可(kě)以拆焊它们。卡边缘连接器将是TE 5650118-3，它提供12个连接引脚。不过，我仍然希望能(néng)够在任一方向上插入传感器板而不会炸东西，因此底部的连接与顶部的连接相同-只是颠倒了。对于模板，我没有(yǒu)向電(diàn)阻器提供任何输入网络，因為(wèi)这将取决于特定的板传感器实现及其使用(yòng)的模拟通道。对于非差分(fēn)传感器连接，可(kě)以在传感器原理(lǐ)图中将负极侧接地。

我在PCB上增加了一个3mm的安装孔，因此叠层不仅仅由夹层连接器支撑。我希望已将板子的尺寸定得足够大，以适应我们要使用(yòng)的每种传感器拓扑，板子的宽度為(wèi)25mm，边缘连接器長(cháng)50mm。

我 為(wèi)通道添加了  丝印键，因此可(kě)以在传感器将要使用(yòng)的每个模拟通道框中添加填充區(qū)域，以确保在构建传感器堆栈时，我不会将两个通道连接在一起到同一模拟端口。我还添加了一些虚拟文(wén)本，因此每块板将在同一位置添加传感器类型和拓扑描述，这将在最后為(wèi)我提供一组不错的传感器。

正如我在本文(wén)开头提到的那样，我们需要确保传感器与電(diàn)路板的其余部分(fēn)热隔离。我在布線(xiàn)层上增加了一个3mm的布線(xiàn)槽，它将為(wèi)電(diàn)路板的末端提供热隔离。这将使我能(néng)够在安装孔和插槽之间安装任何放大器或其他(tā)热源，并且温度感应元件应遠(yuǎn)离它。要在板上添加插槽时要记住的重要一点是添加与插槽路径相同的保持路径。没有(yǒu)什么可(kě)以阻止您意外地跨槽布線(xiàn)！幸运的是，在将最终文(wén)件发送到制造公司之前进行最终检查时，我总是设法在这里捕捉到我的错误-但这有(yǒu)时是非常接近的！

在测试传感器的响应率时，我希望有(yǒu)一个一致的電(diàn)路板面积，因此每个传感器都应一视同仁-在我们构建传感器板时，我将尽量不要修改此插槽的大小(xiǎo)或位置。

尽管这一切看起来都不错，并且可(kě)以确保一致的布局-像这样的项目模板最强大的功能(néng)之一，就是在其中我们构建几乎所有(yǒu)相同的電(diàn)路板的整个过程中，是可(kě)以将所有(yǒu)常用(yòng)的布線(xiàn)都放置到位。

布線(xiàn)不会花(huā)费太長(cháng)时间，但是当您需要在每个電(diàn)路板相同的情况下进行20次或更多(duō)次操作时，此模板将节省大量时间！

您可(kě)能(néng)还注意到，在上图中，我还在模板中包括了面板化功能(néng)。

我在铣槽的切口处添加了未電(diàn)镀的焊盘，以创建鼠标轻咬功能(néng)，这些功能(néng)会创建一些标签，这些标签可(kě)以在制造设计时轻松拆下。我想保持两端的布線(xiàn)整洁，并且不希望将V形记分(fēn)的粗糙边缘一直拖到板子的長(cháng)边上-因此，用(yòng)鼠标轻咬选项卡是保持相对干净的板子边缘的好选择。通过将钻头恰好位于電(diàn)路板轮廓上方，可(kě)以减少标签从電(diàn)路板上伸出的程度。这些板将不会进入紧密配合的外壳中，因此，電(diàn)路板折断片的尺寸公差差将不会导致任何配合或功能(néng)问题。

由于传感器板之间的匹配高度為(wèi)3mm，我们希望添加一条规则以确保不能(néng)放置任何会撞到上方组件的组件。每个堆栈最多(duō)只能(néng)有(yǒu)一块板，其顶部组件的高度要比3mm高。

除了我们通常的设计规则外，我还更改了默认的“放置/高度”规则，以将高度限制為(wèi)2.9mm。每个组件都有(yǒu)一个精确的3D模型，包括所有(yǒu)電(diàn)容器，这将确保我不会意外放置電(diàn)容器或其他(tā)过高的组件。

最后，我们可(kě)以将其添加到Altium模板目录中。您可(kě)以转到“首选项”，“数据管理(lǐ)”，“模板”找到模板目录。默认情况下為(wèi)C：\ Users \ Public \ Documents \ Altium AD20 \ Templates \。

然后，只需将PrjPCB，pcbdoc和schdoc文(wén)件复制并粘贴到该目录中即可(kě)。重新(xīn)启动Altium后，您将在创建新(xīn)项目时看到可(kě)用(yòng)的项目模板。

数字温度传感器模板

我不是从头开始使用(yòng)数字温度传感器，而是要复制模拟项目模板并对所需的原理(lǐ)图进行更改，然后在板上重新(xīn)布線(xiàn)。 

需要完全更改连接器的引脚排列，以支持我们的两个数字协议：SPI和I2C。所有(yǒu)额外的引脚都专用(yòng)于基于SPI的传感器的芯片选择線(xiàn)。这意味着多(duō)传感器板将需要具有(yǒu)知道哪个传感器在哪个芯片选择線(xiàn)上的固件。 

卡边缘连接器没有(yǒu)我想要的那么优雅。由于板子在插槽中是可(kě)逆的，因此触点数量不足，无法同时暴露SPI和I2C。我找不到能(néng)满足電(diàn)路板设计3mm高度限制的低成本双掷开关，因此我使用(yòng)选择性填充的電(diàn)阻器。虽然模板具有(yǒu)所有(yǒu)四个電(diàn)阻，但我打算在最终板上完全删除未使用(yòng)的電(diàn)阻。

就像在模拟设计上一样，我有(yǒu)一个電(diàn)阻作為(wèi)芯片选择線(xiàn)的网络连接，以允许将正确的芯片选择線(xiàn)映射到卡边缘连接器上的引脚。

[MARK IMAGE]

该板看起来与模拟板非常相似，   因為(wèi)我刚刚為(wèi)其更新(xīn)了原理(lǐ)图，因此当我们开始测试设计时，一切都将保持一致。重要的是要确保由于板子设计，数字传感器与模拟传感器相比在性能(néng)上不会有(yǒu)任何假阳性或阴性。我们想要对传感器进行干净的比较，而不是它们的安装方法。

与模拟设计一样，我有(yǒu)一块丝网印刷以标记该特定板使用(yòng)SPI时正在使用(yòng)的芯片选择線(xiàn)。这将使我确保堆栈仅包含的芯片选择。

与模拟板一样，已经為(wèi)每个传感器板完成了连接器布線(xiàn)，这将為(wèi)我节省很(hěn)多(duō)时间。这将使我专注于传感器，而不是每个板的所有(yǒu)连接器布線(xiàn)。

温度传感器类型

作為(wèi)本系列文(wén)章的一部分(fēn)，我们将深入研究使用(yòng)所有(yǒu)主要类型的传感器。我们将使用(yòng)在此创建的模板為(wèi)每个主要拓扑（使用(yòng)传感器的类型）创建模板来构建传感器卡，以便我们可(kě)以在现实世界中对它们进行比较。虽然某些拓扑肯定比其他(tā)拓扑好，但有(yǒu)趣的是，面对现实条件时，它有(yǒu)多(duō)重要。

我们将评估：

负温度系数（NTC）热敏電(diàn)阻

正温度系数（PTC）热敏電(diàn)阻

電(diàn)阻温度检测器（RTD）

模拟温度传感器IC

数字温度传感器IC

热電(diàn)偶

在本系列的最后，我们将设计两个主板，然后有(yǒu)机会使所有(yǒu)传感器在各种令人不愉快的极端温度下并肩作战！