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Niphargus：用于高精度环境监测的硅带隙传感器温度记录仪

1. Burletn, Y. Vanbrabant, K. Piessens, K. Welkenhuysen, S. Verheyden

比利时皇家自然科学研究所，比利时地质调查局，比利时布鲁塞尔B-1000 Jenner街13号

摘要

比利时地质调查局开发了一种名为“Niphargus”的温度记录器，用于监测当地自然过程的温度。它对露天、洞穴、土壤和河流环境中的温度变化具有几百度的敏感性。新开发的仪器采用最先进的带隙硅温度传感器和集成数字输出。这种传感器降低了与热敏电阻传感装置相关的漂移风险，特别是在潮湿环境中。根据采样率和环境条件的不同，Niphargus的设计是高可靠性、低成本的，并由一个锂电池供电，可自主运行数年。将一批Niphargus记录器与精密热敏电阻进行比较，以评估绝对温度精度。进一步的特征来自比利时的两个现场案例研究：Spa镇附近矿化水流的监测和Han-sur-Lesse洞穴内的气温监测。

引言

在地球科学应用中，如野外小气候模型和地球物理研究，通常需要具有高精度和/或高精度的稳定可靠的温度监测仪器（例如，Pfender和Villinger，2002年，Mentes，2012年）。同样，精确的温度测量通常是保证许多其他传感器在规定温度范围内稳定和校准输出的关键因素。这就是为什么温度传感器是现代电子监控设备中最普遍的设备之一（例如Ambrosetti等人，2012年；Dedrick等人，2000年；Han等人，2012年）。

1.1常用传感器技术比较

当今最流行的温度传感器包括热电偶、电阻温度装置（RTD）、热敏电阻和集成硅基传感器（Baker，1999；Benedict，1969）。也有较少使用的热传感技术，如红外（高温计）和热电堆。

表1介绍了最流行的温度传感技术及其主要特点。这些技术都不适合所有类型的环境和应用程序。温度范围、灵敏度或鲁棒性等特性将决定设备是否满足应用要求。例如，在表1中，可以看到热电偶具有宽的温度范围、低的线性度和相对较低的温度灵敏度，使其可用于精度不确定的高温应用。另一方面，电阻式温度检测器和热敏电阻具有良好的信号线性，允许更精确的测量，但温度范围较小。随着时间的推移，电阻式温度检测器具有良好的稳定性，但灵敏度较低，而热敏电阻具有更好的灵敏度，但随着时间的推移，其漂移更为敏感，对振动和机械应力的抵抗能力较差（Baker，1999，2004）。

表1 最常见温度传感技术的典型特征（Baker 1999、2004、Wang、2005、模拟设备，2012）。

1.2硅带隙传感器对环境的长期监测

在众多的温度技术中，硅带隙传感器是基于一个具有温度依赖正向电压的硅二极管的，在过去的十年里得到了很大的发展。回顾现有的温度测量技术和硅带隙温度传感器的最新发展，发现由于精确电压基准的小型化和敏感的delta;-西格玛模数转换器，这些传感器的灵敏度在过去10年中提高了10-50倍（Baker，1999，2004年；Dong Ok等人，2008年；Hagart Alexander，2010年）。此外，硅片切割技术的改进和CMOS技术的推广使硅二极管的工厂校准更加精确，提高了传感器的初始绝对精度（Wang，2005；Analog Devices，2012）。

如今，硅带隙传感器通常包括在单片塑料或陶瓷封装（集成芯片）中，带有嵌入式电压基准和模数转换装置。由于采用单片设计，传感器非常坚固，对环境条件不太敏感（Wang，2005；Spevak和Forstner，2009）。它们的小尺寸使它们可以在树脂中绘制或在腐蚀性化学环境中使用。它们随着时间的推移呈现低温漂移。例如，来自模拟设备的ADT7420在传感器的估计工作寿命内的漂移小于0.0073°C（在JEDEC标准22108d之后500小时内的150°C加热试验）（模拟设备，2012年；JEDEC，2010年）。这种非常低的漂移在长期监测中至关重要，因为长期监测不可能进行定期校准。

集成在芯片中的ADC电路（16位转换）允许良好的温度分辨率采集（0.0078°C）。这种最先进的温度传感器是精密温度测量的一个很好的替代品，同时也是电阻式温度检测器稳定性和热敏电阻灵敏度之间的折衷。

带隙传感器单片设计的一个缺点是传感二极管的尺寸相对较小，与芯片的塑料外壳的尺寸和形状不同有关。与暴露的热敏电阻装置相比，这种设计倾向于降低其热响应。这使得传感器在快速过程中不太适用（评估见实验室结果）。

操作方法和原理

2.1硬件设计

Niphargus测井仪（图1）的设计旨在低组装成本和高湿度环境下的可靠运行。第一个预期应用是监测比利时的洞穴空气温度，要求在数月至数年内连续运行。这些环境经常出现高湿度，接近或处于冷凝点（495%R.H.）。为了提高可靠性，电路中分立元件的数量被最小化，从而减少了可能受氧化影响的焊接接头的数量。

图1标准尺寸的Niphargus记录器（ADT7410型号）。SMD组件侧。图片来源：W.Miseur（印度卢比）

设备中使用的组件如表2所示。该记录器基于8位微控制器（微芯片PIC16LF1825）。该微控制器特别适合于这种应用：其中工作电压为1.8-5.5V，程序内存为14KB。微控制器只需要几个外部部件就可以执行，并且已经被设计用于低功耗应用（睡眠运行期间的电流消耗约为20na:Microchip Technology Inc.，2011a）。测量值存储在1024*8位EEPROM（芯片24AA1025）上，应用的温度传感器是硅带隙型ADT7410（模拟设备，2011）或ADT7420（模拟设备，2012）。电路上安装了一个小的低电流LED以显示活动，集成在微控制器中的2.048V电压基准通过内部接线连接到其10位模数转换器以进行电池反馈。使用基于FTDI FT230XQ芯片（FTDI，2013）的USB到串行（TTL）接口和安装在板上的迷你USB B型连接器对记录器和数据检索进行配置。该芯片模拟主机上的通信“COM”端口。

表2 Niphargus温度记录器中使用的单个组件

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