【E課堂】您感測到了什麼——四種溫度傳感器類型的優點與缺點

2020-12-04 電子產品世界

　　選擇溫度傳感產品也許看似小事一樁，但由於可用的產品多種多樣，因此這項任務可能令人頗感畏懼。在這篇博客文章中，筆者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、熱敏電阻器以及具有數字和模擬接口的集成電路 (IC) 傳感器)並討論每種傳感器的優點與缺點。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201601/285709.htm

　　從系統級的立足點來看，溫度傳感器是否適合您的應用將取決於所需的溫度範圍、準確度、線性度、解決方案成本、功能、功耗、解決方案尺寸、安裝法(表面貼裝法與通孔插裝法以及電路板外安裝法)還有必要支持電路的易設計程度。

　　RTD

　　當一邊測量RTD的電阻一邊改變它的溫度時，響應幾乎是線性的，表現得像一個電阻器。如圖1所示，該RTD的電阻曲線並非完全呈線性，而是有幾度的偏差(示出了一條用作參考的直線)—— 但卻是高度可預測並可復驗的。為了對這種輕微的非線性進行補償，大多數設計人員都會對測得的電阻值進行數位化處理，並使用微控制器內的查找表以便應用校正因子。這種寬溫度範圍(大約-250℃至+750℃)內的可復驗性和穩定性使RTD在高精度應用(包括在管道和大容器內測量液體或氣體的溫度)中極為有用。

　　

 

　　圖1：RTD的電阻與溫度

　　用來處理RTD模擬信號的電路的複雜度基本上根據應用而變化。放大器和模數轉換器(ADC)等組件(這些組件會產生它們自己的誤差)是不可或缺的。只有當測量必要時才給傳感器供電 —— 通過該方法您也可實現低功耗運行，但這會使該電路複雜得多。而且，使傳感器通電所需的功率還會提高其內部的溫度，從而影響測量準確度。僅僅幾毫安的電流，這種自加熱效應就會產生溫度誤差(這些誤差是可糾正的，但需要進一步的斟酌考量)。另外，請謹記：線繞式鉑RTD或薄膜RTD的成本可能相當高，尤其當與IC傳感器的成本進行比較時。

　　熱敏電阻器

　　熱敏電阻器是另一種類型的電阻式傳感器。有多種多樣可用的熱敏電阻器，從物美價廉的產品到高精度產品，不一而足。低成本、低精度的熱敏電阻器可執行簡單的測量或閾值檢測功能 —— 這類電阻器需多個組件(如比較器、參考和分立式電阻器)，但非常便宜，並具有非線性的電阻-溫度屬性，如圖2所示。如果您需要測量寬範圍的溫度，您將需進行大量的線性化處理工作。對幾個溫度點進行校準可能是必要的。為實現更高的精度，可用更昂貴且公差更緊的熱敏電阻陣列來幫助解決這種非線性難題，但這種陣列通常比單個熱敏電阻器靈敏度低。

　　

 

　　圖2：熱敏電阻器的電阻與溫度

　　因為多跳變點系統增加了複雜度和成本，所以低成本熱敏電阻器一般僅用於具有最少功能要求的應用，包括烤麵包器、咖啡機、電冰箱和吹風機。此外，熱敏電阻器還會遭受自加熱問題的困擾(通常在較高溫度下，此時它們的電阻較低)。和RTD的情況一樣，尚未發現不能在低電源電壓下使用熱敏電阻器的根本原因 —— 但請記住，滿量程輸出越低，它根據模數轉換器(ADC)特性直接轉化成的系統靈敏度越低。小功率應用還需要提高電路複雜度，以便能對噪聲引起的誤差非常敏感。熱敏電阻器可在-100°C至+500°C的溫度範圍內運行，雖然大多數熱敏電阻器的額定最高工作溫度範圍是+100°C至+150°C。

　　熱電偶

　　熱電偶包括由不同材料製成的兩根電線的接點。例如，J型熱電偶是由鐵和康銅製成的。如圖3所示，接點1位於待測量的溫度處，而接點2和接點3則被置於用LM35模擬溫度傳感器測定的不同溫度處。輸出電壓與這兩個溫度值的差大致成比例。

　　

 

　　圖3：將LM35用於熱電偶冷接點補償

　　因為熱電偶的靈敏度相當低(在每攝氏度幾十微伏的量級上)，所以您將需要低偏移放大器來產生可用的輸出電壓。在熱電偶的工作範圍內，溫度至電壓傳遞函數中的非線性往往需要補償電路或查找表，正如RTD和熱電偶一樣。然而，儘管有這些缺點，熱電偶仍非常流行，尤其適用於烤箱、水加熱器、窯爐、測試設備和其它工業處理 —— 原因是熱電偶的熱質量很低且工作溫度範圍(工作溫度可擴展至2300℃以上)很寬泛。

　　IC傳感器

　　IC傳感器可在-55°C至+150°C的溫度範圍內工作 —— 精選的幾種IC傳感器工作溫度可高達+200°C。有各種類型的集成式IC傳感器，不過四種最常見的集成式IC傳感器當屬模擬輸出器件、數字接口器件、遠程溫度傳感器以及那些具有溫控器功能的集成式IC傳感器(溫度開關)。模擬輸出器件(一般是電壓輸出，但有些也具有電流輸出)在其需要ADC來對輸出信號進行數位化處理時最像無源解決方案。數字接口器件最常使用兩線接口(I2C或PMBus)，並具有內置的ADC。

　　除了也包括一個局部溫度傳感器外，遠程溫度傳感器還具有一路或多路輸入以便監測遠程二極體溫度 —— 它們最常被置於高度集成的數字IC(例如，處理器或現場可編程門陣列【FPGA】)中。當達到溫度閾值時，溫控器可提供簡單的警報。

　　使用IC傳感器有許多好處，包括：功耗低;可提供小型封裝產品(有些尺寸小到0.8mm×0.8mm);還可在某些應用中實現低器件成本。此外，由於IC傳感器在生產測試過程中都經過校準，因此沒有必要進一步校準。它們通常用於健身跟蹤應用、可佩戴式產品、計算系統、數據記錄器和汽車應用。

　　經驗豐富的電路板設計人員將根據最終產品要求來使用最合適的解決方案。表1展示了每種溫度傳感器的相對優勢/劣勢。

　　

 

　　表1：RTD、熱敏電阻器、熱電偶和IC傳感器的相對優勢與劣勢

　　在接下來的幾個月，筆者和筆者的同事將撰寫更多溫度基礎知識方面的博客，歡迎繼續予以關注。如果您希望我們討論任何話題，請在下邊發表意見來告知我們。

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