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閱讀：22發(fā)布時(shí)間：2026-4-28
智能化Pt100和Pt1000溫度傳感器支持靈活通信和遠(yuǎn)程配置
工廠通用這些pt100溫度傳感器實(shí)現(xiàn)安全、高效的溫度測(cè)量。但是，要滿足工業(yè)4.0的要求，需要提高工廠智能化水平，那么很顯然，現(xiàn)有的許多RTD傳感器無法滿足這些環(huán)境的工作要求。更小的外形尺寸、靈活通信和遠(yuǎn)程配置能力，這是自動(dòng)化工程師現(xiàn)在需要工業(yè)溫度傳感器提供的一些功能，但是現(xiàn)有的解決方案并不支持這些功能。本文將重新審視許多基于RTD的溫度傳感器設(shè)計(jì)中使用的構(gòu)建模塊，探討這些模塊在傳感器應(yīng)用中的限制因素。然后，展示如何快速重新設(shè)計(jì)這種類型的傳感器，以獲得這個(gè)新工業(yè)時(shí)代所需的功能，數(shù)字溫度傳感器主要廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)和智能揚(yáng)聲器等消費(fèi)電子領(lǐng)域。隨著技術(shù)不斷創(chuàng)新和大量新用例（如預(yù)測(cè)性維護(hù)、自主機(jī)械、過程監(jiān)控、設(shè)備和機(jī)器人技術(shù)）涌現(xiàn)，同時(shí)為滿足精度、成本和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化需求，數(shù)字溫度傳感器開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，并逐漸取代傳統(tǒng)模擬傳感器。這一轉(zhuǎn)變主要?dú)w因于工業(yè) 4.0 的發(fā)展以及當(dāng)今市場(chǎng)數(shù)字設(shè)備和元器件數(shù)量的激增。從發(fā)展趨勢(shì)來看，小型化、集成化和低功耗已經(jīng)成為數(shù)字溫度傳感器件的核心特質(zhì)。
RTD將物理量（溫度）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，一般用于檢測(cè)–200°C至+850°的溫度，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)提供高度線性的響應(yīng)。RTD中常用的金屬元素包括鎳(Ni)、銅(Cu)和鉑(Pt)，普遍使用的是Pt100和Pt1000鉑RTD。RTD有兩線、三線或四線形式，其中三線和四線形式較為常用。RTD是無源器件，需要一個(gè)激勵(lì)電流來產(chǎn)生輸出電壓?？梢允褂没鶞?zhǔn)電壓來生成這種電壓，由運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖，隨后將電流驅(qū)動(dòng)到RTD，產(chǎn)生輸出電壓信號(hào)，該信號(hào)會(huì)隨溫度變化提供不同響應(yīng)。根據(jù)使用的RTD類型和測(cè)得的溫度，該信號(hào)能產(chǎn)生幾十到幾百毫伏的電壓，特別值得關(guān)注的是，在 2022 年出貨的傳感器中有三分之一是以溫度、濕度、壓力、液位、氣體為代表的物聯(lián)網(wǎng)傳感器。根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu) IoT Analytics 發(fā)布的《2022-2027 年物聯(lián)網(wǎng)傳感器市場(chǎng)報(bào)告》，物聯(lián)網(wǎng)傳感器市場(chǎng)規(guī)模在 2022 年達(dá)到了 109 億美元，預(yù)計(jì)未來五年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到 16%，2027 年物聯(lián)網(wǎng)傳感器市場(chǎng)有望達(dá)到 221 億美元。這其中，又以溫度傳感器引人關(guān)注。畢竟，溫度傳感器不但市場(chǎng)規(guī)模龐大，而且越來越多的智能產(chǎn)品現(xiàn)在都對(duì)溫度參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制提出了要求。可以毫不夸張地說，一絲細(xì)微溫度的變化，都會(huì)對(duì)環(huán)境、家居產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備、汽車、服務(wù)器、電腦等諸多行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。
AFE放大并調(diào)節(jié)低振幅RTD信號(hào)，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，以便微控制器運(yùn)行算法對(duì)其進(jìn)行非線性補(bǔ)償。這樣就會(huì)通過通信接口，將數(shù)字信號(hào)發(fā)送至過程控制器。AFE一般由包含多個(gè)組件信號(hào)鏈構(gòu)成，每個(gè)組件執(zhí)行一項(xiàng)專用功能，選擇溫度傳感器產(chǎn)品也許看似小事一樁，但由于可用的產(chǎn)品多種多樣，還要同時(shí)考慮傳感器價(jià)格、溫度范圍、精度、耐用性、傳感器輸出、熱穩(wěn)定性等多重因素，因此這項(xiàng)任務(wù)可能令人頗感畏懼。但憑借靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小等核心優(yōu)點(diǎn)，圣邦微電子將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供更簡(jiǎn)潔的電路設(shè)計(jì)，更方便快捷的數(shù)據(jù)讀取，以及更多的選型方案。
許多現(xiàn)有的溫度傳感器設(shè)計(jì)都使用這種分立式方法，該方法要求使用的印刷電路板(PCB)足夠大，能夠容納所有的集成電路(IC)、信號(hào)和電源布線，并使傳感器的外殼尺寸實(shí)際上盡可能最小。還有一種更簡(jiǎn)潔優(yōu)化的方法，就是使用集成式AFE，例如圖5所示的AD7124-4。這個(gè)緊湊型IC是一個(gè)完整的AFE，采用單個(gè)封裝，包括多路復(fù)用器、基準(zhǔn)電壓源、可編程增益放大器和Σ-Δ ADC。它還提供RTD所需的激勵(lì)電流，因此它能取代前一張圖中的五個(gè)信號(hào)鏈組件，大幅減少所需的板空間，使傳感器能夠采用更小巧的封裝。
通信接口
許多工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)都是使用一個(gè)（或多個(gè)）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接至過程控制器，其中包括多種版本的現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)。這需要使用專用集成電路(ASIC)來實(shí)現(xiàn)所選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是，這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，在傳感器設(shè)計(jì)中集成網(wǎng)絡(luò)專用ASIC會(huì)大幅增加成本，尤其當(dāng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為專用網(wǎng)絡(luò)時(shí)。還會(huì)使傳感器市場(chǎng)僅局限于使用該網(wǎng)絡(luò)的用戶。同一個(gè)傳感器要支持不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要重新設(shè)計(jì)，添加所需的ASIC，這個(gè)過程非常耗時(shí)、耗費(fèi)成本而且風(fēng)險(xiǎn)很大。最后，診斷功能的數(shù)量和類型因網(wǎng)絡(luò)類型不同存在很大差異（有些網(wǎng)絡(luò)類型不提供診斷功能）?；诰唧w的選擇，在傳感器安裝到現(xiàn)場(chǎng)后，工廠操作人員可能很難判斷傳感器的潛在問題，進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，并解決傳感器出現(xiàn)的性能問題。
還有一個(gè)更好的方法，就是設(shè)計(jì)一個(gè)與所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)保持獨(dú)立的傳感器，從而降低開發(fā)成本，并擴(kuò)大潛在客戶群。可以使用IO-Link來完成上述設(shè)計(jì)，IO-Link是三線工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，支持傳感器（和執(zhí)行器）與所有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相連。在IO-Link應(yīng)用中，收發(fā)器充當(dāng)連接運(yùn)行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的微控制器的物理層接口。使用IO-Link的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠進(jìn)行四種類型的傳輸：過程數(shù)據(jù)、診斷、配置和事件，能夠在發(fā)生故障時(shí)快速識(shí)別、跟蹤和處理傳感器。它還支持遠(yuǎn)程配置，例如，如果需要更改觸發(fā)過程警報(bào)的溫度閾值，可以遠(yuǎn)程進(jìn)行更改，無需技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)操作。MAX14828是一款低功耗、超小型IO-Link器件收發(fā)器。該器件采用(4 mm × 4 mm) 24引腳TQFN封裝和(2.5 mm × 2.5 mm)晶圓級(jí)封裝(WLP)，易于集成到工業(yè)RTD溫度（和其他類型的）傳感器中。該收發(fā)器直接與過程控制器端的IO-Link主機(jī)通信，該主機(jī)用于管理與接口ASIC之間的通信（如圖6所示），因此傳感器能夠獨(dú)立于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
結(jié)論
智能工廠自動(dòng)化工程師對(duì)工業(yè)溫度傳感器的期望不斷提高，包括更小尺寸、靈活通信和遠(yuǎn)程配置能力。本文展示如何利用高度集成的AFE來快速重新設(shè)計(jì)RTD溫度傳感器，以減小其封裝尺寸。此外，還展示IO-Link器件收發(fā)器如何使傳感器能夠不依賴用于連接過程控制器的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口，而保持獨(dú)立運(yùn)行。雖然本文側(cè)重于RTD溫度傳感器，但這種重新設(shè)計(jì)的方式也適用于使用熱敏電阻或熱電偶傳感器的溫度傳感器。
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