選擇最佳類(lèi)型的溫度傳感器

確定溫度是工程師需要設(shè)計(jì)的最常見(jiàn)事情之一。也許我們沒(méi)有像我們應(yīng)該的那樣這樣做。在嵌入式設(shè)計(jì)中，我們（幾乎總是）有一個(gè)可以輕松收集溫度數(shù)據(jù)的微控制器。那么，為什么不測(cè)量同一MCU的溫度來(lái)幫助提高設(shè)計(jì)的可靠性呢？如果您有電源轉(zhuǎn)換器，了解該溫度會(huì)很有用 - 控制器IC或開(kāi)關(guān)電感器，或兩者兼而有之。如果您的設(shè)計(jì)具有電機(jī)和軸承等機(jī)械鉆頭，我們可以通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度在故障發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)故障。這還可以為您的設(shè)計(jì)提供額外的安全性。

當(dāng)然，有時(shí)工程師需要精確測(cè)量溫度作為過(guò)程控制系統(tǒng)的一部分，有時(shí)他或她需要在擴(kuò)展范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。我們也會(huì)考慮這些情況。

實(shí)際應(yīng)用的溫度傳感器基本上有四種類(lèi)型：硅、熱電偶、熱敏電阻和RTD。由于它們通常堅(jiān)如磐石的可靠性，工程師可以依靠溫度傳感器來(lái)監(jiān)視他們的產(chǎn)品，從而使它們成為模擬的英雄。

熱電偶傳感器覆蓋范圍廣

熱電偶有多種類(lèi)型，其中J、K和T類(lèi)型最受歡迎。每種類(lèi)型都有不同的兩種金屬配對(duì)。它們提供非常寬的溫度范圍 - 低至 -600°C 至高達(dá) 2300°C。 標(biāo)準(zhǔn)精度約為±2°C，但有些精度高達(dá)±0.5°C。 它們并不便宜。價(jià)格差異很大，但帶保護(hù)管的 8/9“ 直徑探頭的起價(jià)可低至?美元。它們可能是最不穩(wěn)定和可重復(fù)的傳感器類(lèi)型，并且可能會(huì)受到電噪聲的困擾。

好消息是，IC可用于對(duì)所有類(lèi)型的熱電偶的輸出進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和線(xiàn)性化。Maxim的MAX31855就是此類(lèi)器件的一個(gè)例子，它提供七種不同的TC類(lèi)型，并集成了冷端補(bǔ)償。轉(zhuǎn)換器將溫度解析為 0.25°C。 它使用 K 型熱電偶在 -2°C 至 +200°C 的溫度范圍內(nèi)提供 ±700°C 的精度，并具有減少熱電偶導(dǎo)線(xiàn)引入噪聲誤差的電路。數(shù)據(jù)輸出是有符號(hào)的 14 位、SPI 兼容、只讀的。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(zhǔn)確

由于我不明白的原因，有成千上萬(wàn)的可用硅傳感器。來(lái)自許多制造商中的每一個(gè)的數(shù)百人。您可以在 0.20 秒內(nèi)以低至 100 美元的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)一個(gè)。但是，您可能想花更多的錢(qián)購(gòu)買(mǎi)更準(zhǔn)確和多功能的設(shè)備。

我選擇Maxim DS18B20U作為一款出色的全能器件作為示例，在-0°C至5°C范圍內(nèi)具有±10.85°C精度和1-Wire數(shù)字接口。芯片可以直接從數(shù)據(jù)線(xiàn)獲得電力（“寄生電源”）。它覆蓋了-55°C至125°C的整個(gè)范圍，工作在3.0V至5.0V數(shù)據(jù)線(xiàn)。待機(jī)電流為 1μA。

圖2：DS18B20U框圖

每條DS18B20U具有唯一的64位串行碼，允許多個(gè)器件在同一條1-Wire總線(xiàn)上工作。芯片是可編程的，這是一件大事。首先，分辨率可在9至12位之間選擇，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換時(shí)間從94ms到750ms不等。接下來(lái)，報(bào)警功能具有非易失性用戶(hù)可編程的上限和下限觸發(fā)點(diǎn)。該 IC 采用 8 引腳 SO （150 mil）、8 引腳 μSOP 和 3 引腳 TO-92 封裝。有幾種參考原理圖可用。

Maxim還提供MAX30205臨床級(jí)人體溫度傳感器，精度為±0.1°C （最大值），適用于溫度計(jì)應(yīng)用。

熱敏電阻：低成本和快速響應(yīng)時(shí)間

熱敏電阻具有一些誘人的品質(zhì)。最常見(jiàn)的熱敏電阻具有負(fù)電阻溫度系數(shù)（NTC）。熱敏電阻的電阻與溫度曲線(xiàn)近似呈指數(shù)，需要線(xiàn)性化，但這可以在微控制器中完成。IC 可用于檢測(cè)和 A/D 轉(zhuǎn)換。

熱敏電阻的特性包括-55°至125°C的中等溫度范圍（盡管有些能夠承受更高的溫度），低至中等成本（取決于精度）和快速響應(yīng)時(shí)間。熱敏電阻采用探頭、標(biāo)準(zhǔn) 0402 和其他 SMT 封裝，以及帶裸引線(xiàn)的磁珠。您可以獲得在其范圍內(nèi)具有1%容差和1Ω至1GΩ電阻值的熱敏電阻。它們的價(jià)格低至每件兩便士（10 數(shù)量為 000.0 美元）。不過(guò)要小心，因?yàn)橐恍└咝阅茉O(shè)備每個(gè)都是 10 美元。人們需要注意不要在測(cè)量時(shí)加熱微小的磁珠，但可用的IC可以解決這個(gè)問(wèn)題。

MAX6682熱敏電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)很好的例子。它根據(jù)熱敏電阻電阻產(chǎn)生10位+符號(hào)輸出代碼。它不會(huì)線(xiàn)性化傳遞函數(shù)，但在有限的范圍內(nèi)，使用合適的外部固定電阻器，它可以提供相當(dāng)精確的可重復(fù)測(cè)量，而無(wú)需線(xiàn)性化。該 IC 具有一個(gè) 3 線(xiàn) SPI 兼容輸出接口。該芯片可降低平均熱敏電阻電流，從而最大限度地減少自發(fā)熱。在兩次轉(zhuǎn)換之間，電源電流減小至 21μA （典型值）。它使用一個(gè)在 10°C 時(shí)標(biāo)稱(chēng)電阻為 25kΩ 的熱敏電阻，采用 8 引腳 μMAX 封裝，額定溫度范圍為 -55° 至 125°C。還提供MAX6691四通道熱敏電阻溫度至脈寬轉(zhuǎn)換器。

RTD 傳感器可在大溫度范圍內(nèi)工作

RTD比其他傳感器稍大，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是用鉑制成的，但低成本的RTD可以用鎳制成。這些不那么穩(wěn)定或可重復(fù)。鉑RTD提供相當(dāng)線(xiàn)性的輸出，在-0至1°C范圍內(nèi)具有高精度（±1.200°至±600°C）。 它們的響應(yīng)時(shí)間確實(shí)很慢。鎳器件的價(jià)格從 1.50 秒開(kāi)始，精度為 ±100.1 度，精度為 5.0 美元。精度為 ±3.1°C 的鉑金裝置每 70，1 個(gè)數(shù)量的成本約為 000.<> 美元。

圖4：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Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于RTD非線(xiàn)性，IC產(chǎn)生0.031°C的輸出變化，在總體工作條件下的總精度最大值為0.5°C （滿(mǎn)量程的0.05%）。它提供 21ms （最大值） 轉(zhuǎn)換時(shí)間和 ±45V 輸入保護(hù)，并與 2、3 和 4 線(xiàn)傳感器連接兼容。該 IC 采用 SPI 兼容輸出，采用 20 引腳 TQFN 和 SSOP 封裝。

選擇一個(gè)

事實(shí)是，這四種類(lèi)型都做得很好并且具有成本效益——或者至少如果你小心的話(huà)可以。除了用于極高溫的熱電偶外，如果我有一個(gè)安裝在印刷電路板上的應(yīng)用，我會(huì)采用采用8引腳μSOP SMT封裝的硅傳感器。如果我有一個(gè)點(diǎn)測(cè)量要做，那就是磁珠熱敏電阻（小心那些精致的引線(xiàn)）。正是轉(zhuǎn)換IC使設(shè)計(jì)工作變得非常容易。

審核編輯：郭婷