如何為應用選擇最佳類型的溫度傳感器

確定溫度是工程師需要設計的最常見的事情之一。也許我們沒有做我們應該做的那么多。在嵌入式設計中，我們（幾乎總是）有一個可以輕松收集溫度數(shù)據(jù)的微控制器。那么，為什么不測量同一個 MCU 的溫度來幫助提高設計的可靠性呢？如果您有一個電源轉(zhuǎn)換器，那么了解該溫度會很有用——控制器 IC 或開關(guān)電感器，或兩者兼而有之。如果您的設計有電機和軸承等機械鉆頭，我們可以通過監(jiān)測溫度在故障發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)它。這也可以為您的設計提供額外的安全性。

當然，有時工程師需要精確測量溫度作為過程控制系統(tǒng)的一部分，有時他或她需要在擴展范圍內(nèi)進行測量。我們也會考慮這些情況。

實際應用的溫度傳感器基本上有四種類型：硅、熱電偶、熱敏電阻和 RTD。因為它們通常非?？煽?，工程師可以依靠溫度傳感器來監(jiān)視他們的產(chǎn)品——使它們成為模擬的英雄。

熱電偶傳感器覆蓋范圍廣泛

熱電偶有多種類型，其中 J、K 和 T 型最受歡迎。每種類型都有不同的兩種金屬配對。它們提供非常廣泛的溫度范圍——低至 -600°C 至高達 2300°C。標準精度約為±2°C，但有些甚至達到±0.5°C。它們并不便宜。價格差異很大，但帶有保護管的 ?” 直徑探頭的起價可低至 8 至 9 美元。它們可能是最不穩(wěn)定和可重復的傳感器類型，并且可能會受到電噪聲的困擾。

好消息是 IC 可用于 A/D 轉(zhuǎn)換和線性化所有類型熱電偶的輸出。Maxim 的MAX31855就是這種器件的一個例子，它可用于七種不同的 TC 類型，并集成了冷端補償。轉(zhuǎn)換器將溫度解析為 0.25°C。它使用 K 型熱電偶在 -200°C 至 +700°C 的溫度范圍內(nèi)提供 ±2°C 的精度，并具有減少熱電偶線引入的噪聲誤差的電路。數(shù)據(jù)輸出為帶符號的 14 位、SPI 兼容、只讀。該 IC 采用 8 引腳 SO 封裝，工作溫度范圍為 -40° 至 125°C。電源電流為 900μA，典型值。

硅傳感器：易于使用且準確

由于我不明白的原因，有成千上萬個可用的硅傳感器。許多制造商中的每一個都有數(shù)百個。您可以在 100 片中以低至 0.20 美元的價格購買一個。但是，您可能想花更多的錢來購買更準確、更通用的設備。

我選擇 Maxim DS18B20U作為示例，它是一款出色的全能器件，在 -10°C 至 85°C 范圍內(nèi)具有 ±0.5°C 的精度，并且1-Wire? 數(shù)字接口。芯片可以直接從數(shù)據(jù)線獲取電力（“寄生電力”）。它涵蓋了一個完整的 -55°C 至 125°C 范圍，并在 3.0V 至 5.0V 數(shù)據(jù)線范圍內(nèi)工作。待機電流為 1μA。

圖 1：DS18B20U 框圖

每個 DS18B20U 都有一個唯一的 64 位串行代碼，允許多個器件在同一 1-Wire 總線上運行。該芯片是可編程的，這很重要。首先，分辨率從 9 位到 12 位可選，轉(zhuǎn)換時間從 94 毫秒到 750 毫秒不等。其次，報警功能具有非易失性用戶可編程上下觸發(fā)點。該 IC 采用 8 引腳 SO （150 mils）、8 引腳 μSOP 和 3 引腳 TO-92 封裝。有幾個參考原理圖可用。

Maxim還為溫度計應用提供精度為±0.1°C（最大值）的MAX30205臨床級人體溫度傳感器。

熱敏電阻：低成本和快速響應時間

熱敏電阻具有一些誘人的品質(zhì)。最常見的熱敏電阻具有負溫度系數(shù) （NTC）。熱敏電阻的電阻與溫度曲線近似為指數(shù)，需要線性化，但這可以在微控制器中完成。IC 可用于傳感和 A/D 轉(zhuǎn)換。

熱敏電阻的特性包括 -55° 至 125°C 的適中溫度范圍（盡管有些能夠承受更高的溫度）、中低成本（取決于精度）和快速響應時間。熱敏電阻采用探頭、標準 0402 和其他 SMT 封裝，以及帶裸引線的磁珠。您可以獲得在其范圍內(nèi)具有 1% 容差的熱敏電阻，電阻值從 1Ω 到 1GΩ。數(shù)量為 10，000 件時，價格低至每件 2 美分（數(shù)量 1 為 0.10 美元）。不過要小心，因為一些高性能單元每個要 100 美元。需要注意不要通過測量加熱小珠，但可用的 IC 可以解決這個問題。

MAX6682熱敏電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是一個很好的例子。它根據(jù)熱敏電阻電阻產(chǎn)生一個 10 位 +sign 輸出代碼。它不對傳遞函數(shù)進行線性化，但在有限范圍內(nèi)使用合適的外部固定電阻器可以提供相當準確的可重復測量，無需線性化。該 IC 具有 3 線 SPI 兼容輸出接口。該芯片降低了平均熱敏電阻電流，最大限度地減少了自熱。在轉(zhuǎn)換之間，電源電流降至 21μA（典型值）。它使用 25°C 時標稱電阻為 10kΩ 的熱敏電阻，采用 8 引腳 μMAX 封裝，額定溫度范圍為 -55° 至 125°C。另外還有MAX6691四通道熱敏電阻溫度-脈寬轉(zhuǎn)換器。

RTD 傳感器在大溫度范圍內(nèi)工作

RTD 比其他傳感器稍大一些，大約為 0.25 平方英寸，但它們可以在 -200° 至 850°C 的大范圍內(nèi)工作。最精確的 RTD 使用鉑制成，但成本較低的 RTD 可以用鎳制成。這些不是那么穩(wěn)定或可重復的。鉑 RTD 提供相當線性的輸出，在 -200 至 600°C 范圍內(nèi)高度準確（±0.1° 至 ±1°C）。他們的響應時間確實很慢。精度為 ±1.5 度的鎳設備的起價約為 1.50 美元/100 美元。精度為 ±0.3°C 的鉑金單元每 1，000 件的成本約為 1.70 美元。

圖 2：MAX31865 RTD 數(shù)字轉(zhuǎn)換器框圖

MAX31865 RTD-數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片易于使用，具有15位delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器。由于 RTD 的非線性，該 IC 產(chǎn)生 0.031°C 的輸出變化，并且在最大 0.5°C（滿量程的 0.05%）的總體工作條件下的總精度。它提供 21ms（最大值）的轉(zhuǎn)換時間和 ±45V 輸入保護，并與 2 線、3 線和 4 線傳感器連接兼容。該 IC 使用 SPI 兼容輸出，采用 20 引腳 TQFN 和 SSOP 封裝。

選一個

事實上，所有這四種類型都做得很好并且具有成本效益 - 或者如果你小心的話，至少可以。除了用于極高溫度的熱電偶外，如果我有一個 PC 板安裝應用程序，我會采用 8 引腳 μSOP SMT 封裝的硅傳感器。如果我要做點測量，那將是一個珠狀熱敏電阻（小心那些精致的引線）。正是轉(zhuǎn)換 IC 使設計工作變得非常容易。

審核編輯：郭婷