溫度傳感器以及各自的考慮因素、好處和缺點(diǎn)
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tctr852088 發(fā)布時(shí)間：2020-03-23 13:16:57
我們每天使用溫度傳感器進(jìn)行建筑物溫度控制，水溫調(diào)節(jié)和冰箱控制。溫度傳感器在許多其他應(yīng)用中也至關(guān)重要，例如消費(fèi)品，醫(yī)療和工業(yè)電子產(chǎn)品。
每個(gè)應(yīng)用可能具有不同的溫度感測(cè)需求。差異包括測(cè)量?jī)?nèi)容(空氣，質(zhì)量或液體)，測(cè)量位置(內(nèi)部或外部)以及測(cè)量溫度范圍。現(xiàn)代電子設(shè)備中最常用的溫度傳感器有四種:熱電偶，RTD(電阻溫度檢測(cè)器)，熱敏電阻和基于半導(dǎo)體的集成電路(IC)。
這里重點(diǎn)解說這四種主要類型的溫度傳感器，每種類型的考慮因素，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
一、熱電偶
上海自動(dòng)化儀表三廠熱電偶是最常用的溫度傳感器類型。它們用于工業(yè)，汽車和消費(fèi)者應(yīng)用。熱電偶是自供電的，無需激勵(lì)，可在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，并具有快速響應(yīng)時(shí)間。
熱電偶通過將兩根不同的金屬線連接在一起而制成。這導(dǎo)致塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)是兩種不同導(dǎo)體的溫差產(chǎn)生兩種物質(zhì)之間的電壓差的現(xiàn)象。1正是這個(gè)電壓差可以測(cè)量并用于計(jì)算溫度。
有幾種類型的熱電偶由各種不同的材料制成，這允許不同的溫度范圍和不同的靈敏度。不同的類型由指定的字母區(qū)分。最常用的是K型。表1顯示了幾種常見類型的熱電偶的特性。
表1.熱電偶類型和特性
熱電偶的一些缺點(diǎn)包括測(cè)量溫度可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲭妷汉苄?，這需要精確放大，對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)線上的外部噪聲敏感，以及冷結(jié)。冷結(jié)是熱電偶線與信號(hào)電路的銅跡線相遇的地方。這產(chǎn)生了另一個(gè)需要補(bǔ)償?shù)娜惪诵?yīng)，稱為冷端補(bǔ)償。
上海自動(dòng)化儀表三廠提供輸出熱電偶。這些器件通過集成高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，低噪聲精度增益級(jí)和冷端補(bǔ)償傳感器，有助于信號(hào)調(diào)理。這些器件通過在小型封裝中提供精確的信號(hào)調(diào)理解決方案，幫助設(shè)計(jì)熱電偶電路。它們與許多流行的熱電偶配合使用。
二、RTD(電阻溫度檢測(cè)器
隨著溫度的變化，任何金屬的電阻也會(huì)發(fā)生變化。這種電阻差異是RTD溫度傳感器的基礎(chǔ)。RTD是一種具有明確定義的電阻與溫度特性的電阻器。鉑是用于制造RTD的最常見和最準(zhǔn)確的材料。也稱為PRTD。它們通常在0°C時(shí)具有100Ω和1000Ω電阻。它們分別稱為PT100和PT1000。
使用鉑RTD是因?yàn)樗鼈儗?duì)溫度變化提供接近線性的響應(yīng)，它們穩(wěn)定且準(zhǔn)確，它們提供可重復(fù)的響應(yīng)，并且它們具有寬的溫度范圍。RTD通常用于精密應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂袦?zhǔn)確性和可重復(fù)性。
元件通常具有較高的熱質(zhì)量，因此對(duì)溫度變化的響應(yīng)比熱電偶慢。信號(hào)調(diào)理在RTD中很重要。它們還需要激勵(lì)電流流過RTD。如果已知該電流，則可以計(jì)算電阻。
配置包括兩線，三線和四線選項(xiàng)。當(dāng)引線長(zhǎng)度足夠短以使電阻不會(huì)顯著影響測(cè)量精度時(shí)，雙線選項(xiàng)非常有用。三線制增加了一個(gè)承載激勵(lì)電流的RTD探頭。這提供了消除導(dǎo)線電阻的方法。四線是最精確的，因?yàn)閱为?dú)的力和感測(cè)引線消除了線電阻的影響。圖1顯示了兩線，三線和四線RTD配置的示例。RTD提供了具有15位分辨率的每個(gè)配置一個(gè)專用的RTD信號(hào)調(diào)節(jié)電路和提供了解決方案，以加速兩種PT100和PT1000的RTD設(shè)計(jì)。
三、熱敏電阻
熱敏電阻類似于RTD，因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)導(dǎo)致可測(cè)量的電阻變化。熱敏電阻通常由聚合物或陶瓷材料制成。在大多數(shù)情況下，熱敏電阻更便宜，但也不如RTD準(zhǔn)確。大多數(shù)熱敏電阻有兩種配置。
負(fù)溫度系數(shù))熱敏電阻是最常用的溫度測(cè)量熱敏電阻應(yīng)用。NTC熱敏電阻的電阻隨溫度升高而降低。熱敏電阻具有非線性耐溫關(guān)系。這需要進(jìn)行重大修正才能正確解釋數(shù)據(jù)。使用熱敏電阻的常用方法如圖2所示，其中熱敏電阻和固定值電阻形成分壓器，其輸出由ADC數(shù)字化。
四、基于半導(dǎo)體的
基于半導(dǎo)體的溫度傳感器IC有兩種不同的類型:本地溫度傳感器和遠(yuǎn)程數(shù)字溫度傳感器。本地溫度傳感器是通過使用晶體管的物理特性來測(cè)量其自身管芯溫度的IC。遠(yuǎn)程數(shù)字溫度傳感器測(cè)量外部晶體管的溫度。
本地溫度傳感器可以使用模擬或數(shù)字輸出。模擬輸出可以是電壓或電流，而數(shù)字輸出可以采用多種格式，如I2C，SMBus，1-Wire?和串行外設(shè)接口(SPI)。本地溫度傳感器檢測(cè)印刷電路板或其周圍環(huán)境空氣的溫度。是一個(gè)非常小的局部溫度傳感器，并且可以在多種應(yīng)用中，包括電池供電的應(yīng)用中使用。
通過使用晶體管的物理特性，遠(yuǎn)程數(shù)字溫度傳感器像本地溫度傳感器一樣工作。不同之處在于晶體管遠(yuǎn)離傳感器芯片。一些微處理器和FPGA包括雙極感應(yīng)晶體管，用于測(cè)量目標(biāo)IC的芯片溫度。
摘要
上海自動(dòng)化儀表三廠熱電偶，RTD，熱敏電阻和基于半導(dǎo)體的IC是當(dāng)今使用的主要溫度傳感器類型。熱電偶價(jià)格低廉，經(jīng)久耐用，可以測(cè)量各種溫度。RTD提供各種溫度測(cè)量(雖然小于熱電偶)并提供準(zhǔn)確和可重復(fù)的測(cè)量，但它們較慢，需要激勵(lì)電流，并需要信號(hào)調(diào)理。熱敏電阻耐用且體積小，但它們不如RTD準(zhǔn)確，并且需要更多的數(shù)據(jù)校正來解釋溫度?；诎雽?dǎo)體的IC可以靈活地植入，并且可以采用極小的封裝，但它們具有有限的溫度范圍。
雖然還有其他溫度傳感器可供選擇，但本博客中討論的四種選擇將為大多數(shù)設(shè)計(jì)人員提供一種解決方案，以找到適合其應(yīng)用的解決方案。
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