传感器的温度特性及解决思路

文/王卫国 王进升

1 引言

目前，随着物联网和智能设备的不断发展，对传感器的需求量也在不断增加。在使用过程中，由于地域导致的温度差异、不同设备使用的环境温度差异、客户对设备或传感器的使用精度的不同要求等，传感器的温度特性显得特别重要。对传感器的温度特性的处理不当，将导致传感器参数发生漂移，轻微情况下导致传感器精度不合格，严重的将出新检测数据失真，进而引发设备停机或误报警，产生不必要的经济损失和导致不良社会影响。

因此，要求我们的工程技术人员对传感器的温度特性进行必要的分析，熟悉传感器的温度特性和成因，对相关的温度补偿技术进行必要的研究。

针对不同的传感器的工作原理、在不同温度环境下的温度漂移要求、产品的性价比和客户的定制要求，进行传感器的温度补偿，就需要采取对应的补偿方式，本文将针对不同的温度补偿要求，选择合适的元器件，进行一些设计和工艺上的改进。

2 传感器的组成和温度影响因素

2.1 传感器的组成

传感器一般是由传感芯片、恒流源或恒压源功能块、信号放大部分、输出电路等组成，也可以包括有单片机处理部分、无线通讯部分和其他关联的功能模块。如图1所示。

2.2 影响传感器的温度特性的因素

影响传感器温度特性的因素，主要是如下几个方面：器件的选择，包含传感器的传感芯片、二极管、三极管和集成电路等；电路设计；温度补偿技术等。

3 器件选择

3.1 传感器芯片

目前传感器的芯片主要是国外厂家提供，或者是进口芯片由国内封装，而国内生产的传感器芯片，大都是用于低端的产品，可靠性和温度特性比较差。其中，为军方定制的芯片，其质量是值得信任的，不过价格是远远超过一般民用品和工业品的接受程度。

压力传感器有陶瓷芯片、扩散硅芯片等，在工作温度范围比较大的情况下，选择陶瓷压力传感器芯片，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，工作温度范围高达-40～135℃。在常温使用环境下且温度范围不大，选择扩散硅压力芯片，由于扩散硅压力芯片的灵敏度高，后续处理的运算放大器的放大倍数小，因而温度漂移比较小。

霍尔传感器芯片有锑化铟、砷化镓等，锑化铟芯片典型工作电流为10mA，砷化镓芯片典型工作电流为2mA。对传感器芯片而言，所需的工作电流越低越好。电流大了导致的温升，会造成传感器的参数漂移。锑化铟芯片一般是恒流供电，使用于开环工作的传感器中，砷化镓芯片一般是恒压供电，使用于有负反馈回路的闭环工作的传感器中。闭环传感器的稳定性和温度特性比开环传感器的更好。

温度传感器芯片有Pt100、Pt1000、热电偶等，Pt100铂电阻测温范围可以到-250～850℃，Pt1000铂电阻温度的采集范围可以在-200℃～+200℃，热电偶温度的采集范围比较大，一般是-200℃～1300℃，特殊情况下可达-270℃～2800℃。其中，Pt100分为A级和B级，A级精度高于B级。A级精度为（0.15+0.002*|t|）摄氏度；B级精度为（0.30+0.005*|t|）摄氏度，其中|t|为实际温度的绝对值。

3.2 二、三极管

传感器中使用的二极管，主要是硅管，比如1N4148、1N4007等，也会用到快恢复二级管HER101～107等，以及其他一些型号的二极管。

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流将约增加一倍。温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。

传感器中使用的三极管，比如9012、9013、8550、8050、3904、3906等，根据实际使用的功率，以及C、E间的电压值进行封装选择和型号选择。

在传感器中的三极管，与温度特性有关是放大倍数β和发射结电压Ube。三极管的β随温度的升高将增大，温度每上升1℃，β值约增大0.5～1%。其结果是在相同的Ib情况下，集电极电流Ic随温度上升而增大。和二极管的正向特性一样，温度上升1℃，发射结电压Ube将下降2～2.5mV。

二、三级管的温度特性，一方面对传感器的参数温度漂移产生负面影响，一方面也可以利用它们的特性对传感器的温度漂移进行适当的补偿。具体的补偿方法，在下文的电路设计中会有涉及。

3.3 集成电路

常用的集成电路，运算放大器包含741系列、358系列、2904等。选择运算放大器的参数，主要有封装形式、品牌和型号尾缀，本文将传感器设计中常用的几款集成电路的温度特性列表如表1、表2和表3所示。

传感器的温度范围分为0℃～70℃（民用级）、-40℃～85℃（工业级）、-40～125℃（汽车工业级）、-55℃～150℃（军品级）。如前述参数所示，根据客户的使用环境和精度要求，可以选择合适的集成电路，并注意在高温下使用的散热处理。

一般情况下，根据客户的使用环境，对运算放大器等集成电路进行选择。根据集成电路的PDF文件，详细查看电路的工作温度和存储温度，同时考虑电路的带负载能力和封装，选择电路的型号，在样品或样机测试过程中，注意电路的温升情况，以及在使用环境温度的上、下限条件下测试传感器的温度漂移，综合上述因数，进行合理的器件选择。

表1：741系列温度特性

表2：158、258、358的温度特性

表3：2904的温度特性

图1：传感器的组成

图2：传感器芯片恒流供电电路的两种工作方式

4 电路设计

4.1 线路设计

传感器芯片是有源芯片，需要提供稳定的工作电源。一种是提供恒流电源，如图2所示，一种是提供恒压电源，比如用78系列的三端稳压器，或者用可调节集成电路317提供。使用IC1集成电路，并通过稳压管ZW1控制传感器芯片恒流源的，恒流源的电流大小，取决于稳压管的稳压值的温度稳定性、运算放大器的温度特性和R2的温度稳定性；使用Q1功率三极管及ZW2稳压管等组成的传感器芯片恒流电路，恒流电流的大小主要取决于ZW2稳压值、R4电阻值等，其中恒流电流的温度特性，取决于ZW2、Q1等的温度稳定性，并通过D1的温度特性进行温度补偿，可通过选择D1的材料特性，比如选择不同的硅管、锗管或肖特基管等来进行合理的温度补偿。

4.2 工艺设计

图3：分段补偿电路

传感器的工艺设计过程中，从工序、设备和测试方法等方面控制温度的稳定性。焊接工序，采用SMT和波峰焊工艺，使用SMT器件，可以减小器件的体积，增加PCB板上的空间，便于空气的流动，方便器件的散热，减低器件的温升，利于传感器的温度特性的稳定。在PCB板上将发热的器件进行合理的放置，方便散热的同时，也将发热器件分开放置，将传感器的整体温升控制在合理的范围内。采用温度参数筛选的方式，将传感器放置于高低温箱中，在高温、低温和常温下进行测试，由于器件参数的离散性，将其中温度参数漂移大的筛选出来，通过器件补偿方式进行调整。这种温度补偿方式，样品制作和小批量比较合适，大批量生产，就显得效率比较低，以及补偿的精度不高。

4.3 原理设计

传感器的原理设计，一般情况下分为开环设计和闭环设计。在温度稳定性方面，闭环设计的效果更好，闭环设计的传感器，能对输出结果进行检测，并将检测信号反馈到控制处理部分，从而对系统的控制产生影响，由于能够通过反馈回路进行参数修正，因此，对于回路中出现的扰动能够进行自动修复，回路中的器件温度特性漂移就可以通过回路的自动修正来修正。

5 利用单片机软件编程对传感器的温度漂移进行参数修正

通过硬件电路来实现温度误差补偿存在器件固有的不稳定性、调试困难、通用性差、成本高、精度低等缺点。

前述温度补偿或修正的方法，由于器件温度的非线性特性，因此，一般的补偿也是在一定温度范围内，无法做到全温区覆盖；传感器的温度特性，是有组成传感器回路中的各个器件的温度特性的综合，因此，传感器的温度曲线，是不规则的，无法用某一种补偿方法彻底解决。而这些缺陷，用单片机处理的软件补偿就方便多了。

5.1 单片机软件补偿

利用单片机为核心，配接合适的传感器芯片和器件，用温度传感器Pt100等测温，测温元件通常是安装在传感器内靠近敏感元件的地方，用来测量传感点的环境温度，该温度信号作为采集信号的一路送入单片机，等信号采样结束，单片机运行温度误差补偿程序，补偿传感器信号的温度误差。

这种软件设计方式，无需手动设置，就可以保证对温度的变化做出及时的反应，并且能够找到相应的零点温漂电压，从而确保单片机输出的电压是实时更新过的修正后的电压值。

利用这种软件温度补偿方法，能够解决硬件电路补偿方法的一些问题，提高了调试速度，提高了测试精度，但是，该方法计算复杂，成本高，不适用于量产化的民用传感器、小型企业的产品开发等情况。

5.2 开关量输出的传感器进行分段温度补偿

基于硬件温度补偿和软件温度补偿的优缺点，提出一种对温度进行分段补偿的方法，该方法结合软件和硬件补偿，不但解决了在不同温度范围下的温度补偿问题，而且计算简单，成本较低，性价比高，不管是生产制造还是现场使用，都是非常方便，实用性和可靠性比较高。

因为开关量输出的传感器，需要一个参考点作为与传感器芯片采集信号的比较电压，所以通过设定不同的比较电压值，对应不同的温度区域。通过温度传感器检测的环境温度，选择不同的参考电压，用来抵消传感器芯片温度产生的漂移，达到温度补偿的目的。

如图3所示，使用温度传感器（NTC1）对环境温度进行检测，利用单片机的逻辑判断，对检测的信号进行判断，设定一个上限阈值，一个下限阈值，如果温度偏高，信号大于上限值，则将传感器芯片信号与R/R5分压信号进行比较；如果温度较低，信号小于下限值，则将传感器芯片信号与R3/R7分压信号进行比较；如果信号处于两个限值之间，则将传感器芯片信号与R2/R6分压信号进行比较。如果温度分档更多、更精确，以此类推。单片机将比较结果，用于控制输出端的Q1功率管，并进而对后续的继电器或单片机等实施控制。

利用分段温度补偿对传感器进行温度补偿，能够做到对不同温度状态下产品的温度特性补偿，设计和操作上也比较方便，在现场使用上也避免了不同温度状态下的故障损失。

6 结论

本文通过对传感器的器件、工艺和设计等方面进行分析，理解传感器的参数漂移与环境温度的关系，并从硬件选择方面对传感器参数温度漂移的影响，提出部分解决思路和方法。从原理设计方面进行比较，根据精度要求和产品成本，选择合适的设计方案。运用软件设计进行温度补偿，特别是考虑成本和效果，提出了多段温度补偿法。本文的传感器温度特性分析和提出的解决思路，由于传感器的种类繁多，使用环境要求相差较大，因此，也只能应用于部分传感器的温度参数改进。提出的解决思路只是提供了一种解决问题的方法，供各位工程师参考。