不同類型溫度傳感器選型及應用設計

 本期關鍵詞 

溫度傳感器, 溫度檢測, 熱電偶, RTD, 電阻溫度檢測器

溫度傳感器無處不在。無論是大廈，還是家中，HVAC系統、冰箱、冷藏庫和計算機都離不開溫度傳感器測量。電機控制、組裝生產線、過程和生產等工業應用也要求連續監測和溫度控制。

為了支持各種溫度檢測需求和應用，出現了不同類型的溫度傳感器。有些傳感器設計用於測量大廈內的環境溫度，在不同氣候下控制溫度，有些傳感器則用於惡劣環境下的液體溫度測量，例如汽車冷卻液。

本指南介紹不同類型溫度傳感器及其優缺點，以及選擇溫度傳感器時的重要考慮事項。我們將研究並探討適合不同應用的最佳傳感器類型。最後，我們介紹推動技術進步的新進展，以開發更好的溫度傳感器。

溫度傳感器類型

溫度傳感器具有不同的形式和各種各樣的功能，不同類型的傳感器適用於不同應用。在現代化電子設備中，有5種最常用的溫度傳感器：熱電偶、電阻溫度檢測器(RTD)、熱敏電阻、本地溫度傳感器、遠端測溫二極體IC等。

熱電偶、RTD和熱敏電阻是可以提供溫度特性測量的檢測元件，通過電路連接將傳感器信號轉換為可用的模擬或數字值。電路通常包括模/數轉換器(ADC)、放大器、電壓基準以及其他有源或無源元件，或者專用的傳感器信號調理器IC。

本地溫度傳感器IC利用管芯上電晶體的物理特性作為檢測元件。使用ADC、放大器和電平轉換等附加電路構成具有模擬或數字接口的傳感器。遠端溫度二極體溫度傳感器採用外部連接成PN結的電晶體作為檢測元件，包括使用一個或多個外部電晶體測量溫度所需的全部信號調理電路。本設計指南中，我們討論本地和遠端溫度二極體傳感器，以及讀取溫度的方式和最適合的應用。

熱電偶

熱電偶廣泛用於各種工業、汽車和消費類設備，採用自供電、無需激勵；與其他常見傳感器相比，其工作溫度範圍寬得多(高達+2000°C)。裸熱電偶具有非常快的響應速度，使系統操作中的溫度測量沒有明顯延遲。

熱電偶利用塞貝克效應檢測溫度：不同金屬類型構成的結之間存在溫度差時發生的一種現象。高溫區域和低溫區域之間的溫度差造成兩個結之間存在電壓差。可利用這一電壓差計算溫度。

熱電偶由兩種連接在一起的異類金屬絲製成。產生的輸出電壓非常小(對於K型熱電偶，約為40μV/°C)，需要複雜的信號調理(包括冷端補償和放大)。熱電偶的類型有多種，分別以字母表示。應用最廣的熱電偶為K型熱電偶。表1所列為幾種常見熱電偶的特性匯總。注意不同類型熱電偶之間的靈敏度和測溫範圍的差異。

儘管熱電偶具有諸多優勢，但由於其測量溫度時的輸出電壓非常小，需要高精度放大，具有一定的設計挑戰。熱電偶對外部噪聲的敏感性，特別是熱電偶和測量電路之間的導線較長時，也帶來了一定的挑戰。另一個問題是熱電偶引線與銅線(或走線)連接點產生的附加熱電偶。銅線連接到信號調理電路，形成另一個熱電偶。該點被稱為冷端，如圖1所示。金屬A與金屬B之間的結為主熱電偶結(也稱為「熱 端」，儘管其溫度可能低於冷端溫度)。

該電路輸出電壓表現為熱電偶電壓減去處於冷結溫度下的相似熱電偶的電壓。

例如，若熱電偶所處溫度為+525°C，而冷端溫度為+25°C，VOUT指示將為+500°C。為補償冷端效應，就必須測量冷端溫度，並將該溫度可能產生的熱電偶電壓增加到VOUT值：

VOUT= VTC - VCJ

VTC = VOUT + VCJ

可以在冷端位置放置一個溫度傳感器，並利用測得的溫度對冷端溫度進行補償，從而完成誤差修正。包括冷端補償的熱電偶至數字轉換電路如圖2所示。高精度運放和電阻為熱電偶輸出信號提供增益，信號一般為毫伏範圍。冷端位置的溫度傳感器監測該溫度值，ADC輸出所需解析度的數據。一般情況下，需要通過校準修正放大器的失調電壓，以及電阻、溫度傳感器、電壓基準誤差，並進行線性化處理。必須通過執行以上步驟，才能修正熱電偶溫度-電壓關係的非線性效應。

MAX31855和MAX31856等專用集成電路採用低噪聲高精度放大器、冷端補償傳感器和高解析度ADC，簡化熱電偶信號調理電路的設計。如圖3所示，MAX31856還包括輸入保護和線性化處理，支持8種主流熱電偶類型。

RTD (電阻溫度檢測器)

任何金屬絲的電阻率都隨溫度變化。RTD就是基於這一現象的溫度傳感器，實際上是具有明確電阻-溫度特性的電阻。由於鉑的化學穩定性以及溫度變化響應的線性度較高，屬於RTD中最常見、精度最高的金屬絲材料。鉑RTD也稱為PRTD，常用的有100Ω和1kΩ電阻(0°C)，分別稱為PT100和PT1000。鎳、銅和其它金屬亦可用來製造RTD。鉑 RTD具有較寬的溫度範圍(高達750°C)、優異的精度和可重複性，以及適中的線性度。由於RTD具備高精度、高穩定度及寬溫範圍，適用於各種高精度測量，包括儀器和過程控制。

阻值-溫度關係曲線具有適當的線性度，但有一定彎曲，可由Callendar-Van Dusen方程表示：

R(T) = R0(1 + aT + bT2 + c(T - 100)T3)

式中：

T = 溫度(°C)

R(T) = T溫度下的阻值

R0 = T為0°C時的阻值

IEC 751規定了下列Callendar-Van Dusen係數：

a = 3.90830 x 10-3

b = -5.77500 x 10-7

當-200°C ≤ T ≤ 0°C時，c= -4.18301 x 10-12；當0°C ≤ T ≤+850°C時，c = 0。

與裸熱電偶相比，裸RTD元件的熱穩定性較高，對溫度變化的響應較慢。RTD和熱電偶往往被封裝在不鏽鋼殼中。在這種情況下，對這兩種傳感器類型來說，整體探頭的溫度質量相當，所以響應時間也相當。信號調理對RTD溫度測量非常重要。激勵電流通過RTD，並測量RTD的電壓。如果已知激勵電流(或可推導出)，即可計算得到RTD電阻。傳感器配置可以是2線、3線或4線，如圖4所示。