選擇溫度傳感產品也許看似小事一樁，但由于可用的產品多種多樣，因此這項任務可能令人頗感畏懼。在這篇文章中，將介紹四種類型的溫度傳感器(電阻式溫度檢測器 (RTD)、熱電偶、熱敏(min)電(dian)阻(zu)器(qi)以及具有數字和(he)模擬接口的(de)集成(cheng)電(dian)路 (IC) 傳(chuan)感器(qi))并討論每種傳(chuan)感器(qi)的(de)優點與缺點。

從系統級(ji)的(de)立足點來看，溫(wen)度(du)傳感器是否適合您的(de)應(ying)用將取決(jue)于所需(xu)的(de)溫(wen)度(du)范圍、準確(que)度(du)、線性(xing)度(du)、解(jie)決(jue)方(fang)(fang)案(an)成本、功(gong)能(neng)、功(gong)耗、解(jie)決(jue)方(fang)(fang)案(an)尺寸、安裝(zhuang)(zhuang)法(表面(mian)貼裝(zhuang)(zhuang)法與通孔(kong)插裝(zhuang)(zhuang)法以及電(dian)路(lu)(lu)板外安裝(zhuang)(zhuang)法)還有必要支持電(dian)路(lu)(lu)的(de)易(yi)設計程度(du)。

　　RTD

　　當一(yi)(yi)邊(bian)測量RTD的(de)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)一(yi)(yi)邊(bian)改變它的(de)溫度(du)時，響應(ying)幾乎是(shi)(shi)線性(xing)(xing)的(de)，表(biao)現得像一(yi)(yi)個(ge)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)器。如圖(tu)1所示，該RTD的(de)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)曲線并非完全呈(cheng)線性(xing)(xing)，而是(shi)(shi)有幾度(du)的(de)偏差(示出(chu)了一(yi)(yi)條用(yong)(yong)作參考的(de)直線)—— 但(dan)卻是(shi)(shi)高度(du)可預(yu)測并可復(fu)驗的(de)。為了對(dui)這(zhe)種(zhong)輕(qing)微的(de)非線性(xing)(xing)進行補償，大多(duo)數(shu)設(she)計(ji)人員都會對(dui)測得的(de)電(dian)(dian)阻(zu)(zu)值進行數(shu)字(zi)化處理，并使用(yong)(yong)微控制器內(nei)的(de)查找表(biao)以便應(ying)用(yong)(yong)校正因子。這(zhe)種(zhong)寬(kuan)溫度(du)范圍(大約-250℃至+750℃)內(nei)的(de)可復(fu)驗性(xing)(xing)和穩定(ding)性(xing)(xing)使RTD在高精度(du)應(ying)用(yong)(yong)(包括在管道和大容器內(nei)測量液(ye)體或氣體的(de)溫度(du))中極為有用(yong)(yong)。

圖1：RTD的電阻與溫度

用來處理RTD模擬信號的(de)(de)(de)(de)電(dian)路(lu)的(de)(de)(de)(de)復(fu)雜度(du)基本(ben)上根據應用而(er)(er)變化。放大(da)器(qi)(qi)和模數轉換(huan)器(qi)(qi)(ADC)等(deng)組件(這些組件會(hui)(hui)產(chan)生(sheng)它們自己(ji)的(de)(de)(de)(de)誤(wu)差)是不(bu)可(ke)或缺的(de)(de)(de)(de)。只(zhi)有當測量必要時才給(gei)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)供電(dian) —— 通過該(gai)方法您也可(ke)實現低功耗運(yun)行，但這會(hui)(hui)使(shi)該(gai)電(dian)路(lu)復(fu)雜得多。而(er)(er)且(qie)，使(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)通電(dian)所需的(de)(de)(de)(de)功率(lv)還(huan)會(hui)(hui)提(ti)高其(qi)內部的(de)(de)(de)(de)溫度(du)，從而(er)(er)影響(xiang)測量準確度(du)。僅(jin)僅(jin)幾毫安的(de)(de)(de)(de)電(dian)流(liu)，這種自加(jia)熱(re)效應就(jiu)會(hui)(hui)產(chan)生(sheng)溫度(du)誤(wu)差(這些誤(wu)差是可(ke)糾(jiu)正的(de)(de)(de)(de)，但需要進一步的(de)(de)(de)(de)斟(zhen)酌考量)。另外(wai)，請(qing)謹記：線繞式鉑RTD或薄膜RTD的(de)(de)(de)(de)成本(ben)可(ke)能相當高，尤其(qi)當與IC傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)成本(ben)進行比(bi)較(jiao)時。

熱敏電阻器

熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)阻(zu)器(qi)(qi)(qi)是另一種類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)式傳感器(qi)(qi)(qi)。有多(duo)種多(duo)樣可用(yong)的(de)(de)(de)熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)阻(zu)器(qi)(qi)(qi)，從(cong)物美價廉的(de)(de)(de)產品(pin)到高精(jing)度產品(pin)，不(bu)一而(er)足。低成本(ben)、低精(jing)度的(de)(de)(de)熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)阻(zu)器(qi)(qi)(qi)可執行(xing)(xing)簡單的(de)(de)(de)測量或閾值檢測功能 —— 這(zhe)類(lei)電(dian)(dian)阻(zu)器(qi)(qi)(qi)需多(duo)個組件(如(ru)比較器(qi)(qi)(qi)、參考和(he)分立(li)式電(dian)(dian)阻(zu)器(qi)(qi)(qi))，但(dan)非常便宜，并具(ju)有非線性的(de)(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)-溫度屬性，如(ru)圖2所(suo)示。如(ru)果您需要測量寬范圍的(de)(de)(de)溫度，您將需進行(xing)(xing)大量的(de)(de)(de)線性化處理工(gong)作(zuo)。對幾個溫度點進行(xing)(xing)校準(zhun)可能是必要的(de)(de)(de)。為實(shi)現更(geng)高的(de)(de)(de)精(jing)度，可用(yong)更(geng)昂貴且公差更(geng)緊的(de)(de)(de)熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)阻(zu)陣列來幫(bang)助解決(jue)這(zhe)種非線性難題，但(dan)這(zhe)種陣列通(tong)常比單個熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)阻(zu)器(qi)(qi)(qi)靈(ling)敏(min)(min)度低。

　　圖2：熱敏電阻器的電阻與溫度

因為多跳變(bian)點(dian)系(xi)統(tong)增加(jia)了(le)復雜(za)度(du)(du)(du)和成(cheng)本(ben)，所以低(di)成(cheng)本(ben)熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)器(qi)(qi)(qi)一般(ban)僅用于具有(you)最少功能要(yao)求的(de)(de)應用，包括烤(kao)面包器(qi)(qi)(qi)、咖啡機、電(dian)(dian)(dian)(dian)冰箱和吹風機。此(ci)外，熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)器(qi)(qi)(qi)還(huan)會(hui)遭受(shou)自加(jia)熱(re)問題的(de)(de)困(kun)擾(通常(chang)在較高溫(wen)度(du)(du)(du)下，此(ci)時它們的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)較低(di))。和RTD的(de)(de)情況一樣，尚(shang)未發現不(bu)能在低(di)電(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)壓下使(shi)用熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)根本(ben)原因 —— 但請記住，滿量程輸出(chu)越(yue)低(di)，它根據模數(shu)(shu)轉換器(qi)(qi)(qi)(ADC)特性直(zhi)接轉化成(cheng)的(de)(de)系(xi)統(tong)靈敏(min)(min)度(du)(du)(du)越(yue)低(di)。小功率應用還(huan)需要(yao)提高電(dian)(dian)(dian)(dian)路復雜(za)度(du)(du)(du)，以便能對(dui)噪(zao)聲引起(qi)的(de)(de)誤差非常(chang)敏(min)(min)感。熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)器(qi)(qi)(qi)可在-100°C至+500°C的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)(du)范圍內(nei)運行，雖(sui)然大多數(shu)(shu)熱(re)敏(min)(min)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)(zu)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)額定最高工作溫(wen)度(du)(du)(du)范圍是+100°C至+150°C。

熱電偶

熱(re)電偶(ou)包括由(you)不同(tong)材料制(zhi)成(cheng)(cheng)的(de)兩根電線的(de)接(jie)點(dian)。例如(ru)，J型(xing)熱(re)電偶(ou)是(shi)由(you)鐵和康銅制(zhi)成(cheng)(cheng)的(de)。如(ru)圖3所(suo)示，接(jie)點(dian)1位于待測(ce)量的(de)溫度(du)處，而(er)接(jie)點(dian)2和接(jie)點(dian)3則被置于用LM35模擬溫度(du)傳感器測(ce)定的(de)不同(tong)溫度(du)處。輸出(chu)電壓(ya)與(yu)這(zhe)兩個(ge)溫度(du)值的(de)差大致成(cheng)(cheng)比例。

　　圖3：將LM35用于熱電偶冷接點補償

因(yin)為KIC熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)的靈敏度(du)相當(dang)低(在每攝氏度(du)幾十微伏的量級上(shang)(shang))，所以您(nin)將(jiang)需要低偏移(yi)放(fang)大器來產(chan)生可(ke)用的輸出(chu)電(dian)(dian)壓。在熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)的工(gong)(gong)作(zuo)范(fan)圍內，溫(wen)度(du)至電(dian)(dian)壓傳遞函數中的非(fei)線性往(wang)往(wang)需要補償電(dian)(dian)路或查找表，正如(ru)RTD和熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)一樣。然而(er)，盡(jin)管有這些缺點，熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)仍非(fei)常流(liu)行，尤(you)其適用于烤箱、水(shui)加熱(re)器、窯(yao)爐、測試(shi)設(she)備和其它(ta)工(gong)(gong)業處(chu)理(li) —— 原因(yin)是熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)的熱(re)質量很低且工(gong)(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)范(fan)圍(工(gong)(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)可(ke)擴展至2300℃以上(shang)(shang))很寬泛(fan)。

IC傳感器

IC傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)可在-55°C至(zhi)+150°C的溫(wen)(wen)度(du)(du)范圍內工(gong)作 —— 精選的幾種IC傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)工(gong)作溫(wen)(wen)度(du)(du)可高達+200°C。有各(ge)種類型(xing)的集成式(shi)IC傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，不過(guo)四(si)種最(zui)常見的集成式(shi)IC傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)當屬模(mo)擬(ni)輸(shu)出(chu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)件、數(shu)字(zi)(zi)接(jie)口(kou)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)件、遠程溫(wen)(wen)度(du)(du)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)以及(ji)那些具有溫(wen)(wen)控器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)功能的集成式(shi)IC傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(溫(wen)(wen)度(du)(du)開關)。模(mo)擬(ni)輸(shu)出(chu)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)件(一般是電(dian)壓輸(shu)出(chu)，但(dan)有些也(ye)具有電(dian)流輸(shu)出(chu))在其需要ADC來對輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)進行數(shu)字(zi)(zi)化處(chu)理時最(zui)像無源解決(jue)方案。數(shu)字(zi)(zi)接(jie)口(kou)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)件最(zui)常使用兩線接(jie)口(kou)(I2C或(huo)PMBus)，并具有內置的ADC。

除(chu)了也包括一(yi)個(ge)局部溫(wen)(wen)(wen)度(du)傳(chuan)感器(qi)外，遠(yuan)程(cheng)(cheng)溫(wen)(wen)(wen)度(du)傳(chuan)感器(qi)還(huan)具有(you)一(yi)路或多路輸(shu)入(ru)以便監(jian)測遠(yuan)程(cheng)(cheng)二極管溫(wen)(wen)(wen)度(du) —— 它們最常被(bei)置于高度(du)集成的(de)數字IC(例如(ru)，處理器(qi)或現場可編(bian)程(cheng)(cheng)門陣列【FPGA】)中。當達(da)到溫(wen)(wen)(wen)度(du)閾(yu)值(zhi)時，溫(wen)(wen)(wen)控器(qi)可提供簡單(dan)的(de)警報。

使用(yong)(yong)IC傳(chuan)(chuan)感器有(you)許多好處，包括(kuo)：功耗低(di);可(ke)提供小型封裝(zhuang)產品(pin)(pin)(有(you)些(xie)尺寸小到0.8mm×0.8mm);還可(ke)在某些(xie)應用(yong)(yong)中實現低(di)器件成本。此(ci)外，由于IC傳(chuan)(chuan)感器在生產測試過程中都經過校準，因(yin)此(ci)沒有(you)必要進一(yi)步校準。它們(men)通常用(yong)(yong)于健身跟蹤應用(yong)(yong)、可(ke)佩戴式產品(pin)(pin)、計算系(xi)統、數據記錄器和汽(qi)車應用(yong)(yong)。

經驗(yan)豐富的(de)(de)電路板設(she)計人員將根據最終(zhong)產品要求來使用最合適(shi)的(de)(de)解決(jue)方案。表1展示了(le)每種溫度傳感器(qi)的(de)(de)相對優勢(shi)(shi)/劣勢(shi)(shi)。

表1：RTD、熱敏電阻器、熱電偶和IC傳感器的相對優勢與劣勢

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