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你正在感测什么数据值?四种温度传感器类型的优缺点
信号链杂谈 | 2015-09-11 15:04:55    阅读:2733   发布文章

作者:Manny Soltero

选择温度感测产品也许看起来是小事一桩,但是面对着如此纷繁的产品,这项工作也会让人望而怯步。在这篇博客文章中,我将展示四种温度传感器类型—电阻温度检测器 (RTD)、热电偶、热敏电阻和具有数字与模拟接口的集成电路 (IC) 传感器,并讨论每一种的优缺点。

从系统层面看,为你的应用选择合适的温度传感器将取决于所需的温度范围、精度、线性、解决方案成本、特性、功耗、解决方案大小、安装(表面贴装,还是过孔,还是板外安装),以及设计必要支持电路的简易程度。


RTD


在改变一个RTD温度的同时测量其电阻,响应几乎是线性的,运行方式与电阻器相类似。如图1中所示,相对于线性,RTD的电阻曲线发生了几度偏离(其中有一条直线作为参照),但这也是完全可预期,且是可以接受的。为了补偿这个轻微的非线性,大多数设计人员将测得的电阻值数字化,并使用微控制器内的查询表来施加修正因子。这个宽温度范围内(大约 -250°C至 +750°C)的可重复性和稳定性使得RTD在高精度应用中十分有用,其中包括测量管道和油箱中的液体或气体的温度。



1RTD电阻与温度间的关系

根据应用的不同,处理RTD模拟信号的电路的复杂程度会发生很大变化。诸如放大器和模数转换器 (ADC) 等会产生误差的组件是必不可少的。为了实现低功耗运行,你可以只在需要测量时才为传感器加电,但这会是电路变得更加复杂。此外,为传感器供电的电源也会提高其内部温度,而这会影响到测量准确度。仅需几毫安的电流,这个自发热效应就会发展成为温度误差,这个误差是可以修正的,不过需要做进一步的考虑。此外,需牢记的是,线绕铂丝或者薄膜RTD的成本会相对较高,特别是与IC传感器相比更是如此。


热敏电阻

热敏电阻是另外一种类型的阻性传感器。市面上有多种热敏电阻可供选择,从价格低廉的到高精度产品。低成本、低精度热敏电阻执行简单测量或阀值检测功能;需要多个组件(诸如比较器、基准和分立电阻器);非常昂贵;并且如图2所示,具有非线性电阻温度属性。如果你需要测量宽温度范围,你将需要彻底的线性化。对多个温度点的校准也许是必要的。为了获得更好的精度,有价格更高、并具有更加严格容限的热敏电阻阵列可供选择,以帮助克服这个非线性问题,不过相对于单个热敏电阻来说,热敏电阻阵列的灵敏度通常会低一些。


2:热敏电阻的电阻与温度之间的关系

由于多个触发点系统所带来的复杂度与成本的增加,低成本热敏电阻通常只用在那些对于功能性有最低要求的应用中,其中包括烤面包机、咖啡机、冰箱和吹风机。热敏电阻还会受到自发热的影响,自发热通常出现在它们的电阻值较低,而温度较高的位置上。和RTD一样,热敏电阻绝对适用于低电源电压的环境中—需要注意的一点就是,根据模数转换器 (ADC) 的特点,较低的满量程输出会直接转换为较小的系统灵敏度。低功率应用还需要增加电路复杂度来应对噪声引入的误差。虽然大多数热敏电阻的额定最大工作温度范围在 +100°C和 +150°C之间,不过它们可以在 -100°C至 +500°C之间的工作温度范围内运行。

热电偶

热电偶由接合在一起的两种不同材料的线缆组成。例如,J类型的热电偶由铁和铜镍合金制成。如图3所示,接合点1位于进行温度测量的位置,而接合点2和3的温度保持在用LM35模拟温度传感器测得的不同温度上。输出电压大体上与这两个温度值之间的差成正比。



3:使用LM35热电偶冷端补偿

由于热电偶灵敏度很小(大约为每摄氏度数十毫伏),你就需要一个低偏移放大器来产生可用输出电压。RTD与热电偶一样,热电偶工作范围内的温度到电压转换函数的非线性需要用到补偿电路或查询表。不过,尽管有这些缺点,热电偶的使用仍然很普遍,特别是在烤箱、热水器、锅炉、测试设备,以及其它工业应用中更是如此,其原因在于它们具有低热质和超过2300°C的宽工作温度范围。


IC传感器

IC传感器可在 -55°C至 +150°C的温度范围内运行—其中有少数几个可以在高达 +200°C的温度上运行。有几种不同的集成IC传感器类型,但是其中四种最常见的器件类型为模拟输出器件、数字接口器件、远程温度传感器、以及那些具有恒温功能的器件(温度开关)。模拟输出器件(通常输出为一个电压,不过有些是电流输出)是与无源解决方案最相似的器件,它们需要ADC来将输出信号数字化。数字接口器件通常用作一个两线制接口(I2C或PMBus),并且具有一个内置的ADC。

除了也包含一个本地温度传感器之外,远程温度传感器具有一个或多个输入来监视远程二极管温度,这些输入通常位于高集成度数字IC中(例如,一个处理器或现场可编程门阵列 [FPGA])。恒温器在达到温度阀值时发出简单报警。

使用IC传感器会带来很多好处,其中包括低功耗、以及特定应用中的封装方式(某些封装可以小到0.8mm x 0.8mm)和低器件成本。此外,由于IC传感器在生产测试期间进行了校准,所以也就无需进一步的校准。它们经常用在健身跟踪、可穿戴、计算系统、数据记录和汽车应用中。

经验丰富的电路板设计人员将根据终端产品需求,利用最适合的解决方案。表1显示的是每种温度传感器类型的相对优点/缺点。


1RTD、热敏电阻、热电偶和IC传感器的相对优势与劣势

请随时关注我们的博客,我和我的同事会在未来几个月中发布更多与温度基础知识有关的文章。请在下方留言,告诉我们你感兴趣的话题。

更多资源

  • 查看TI的感测产品。
  • 搜索TI的温度传感器产品组合。
  • 在TI E2E™ 社区的温度感测论坛中搜索解决方案、寻找答案,并与同行工程师们一起解决难题。
  • 阅读使用说明书,“半导体温度传感器对楼宇自动化中使用的RTD和热敏电阻提出巨大挑战。”
  • 阅读TI的博客文章,“和NTC热敏电阻说拜拜:使用模拟温度传感器。”

原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2015/08/26/what-are-you-sensing-pros-and-cons-of-four-temperature-sensor-types


 


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