不同類型溫度傳感器選型及應(yīng)用設(shè)計(jì)

溫度傳感器無處不在。無論是大廈，還是家中，HVAC系統(tǒng)、冰箱、冷藏庫和計(jì)算機(jī)都離不開溫度傳感器測量。電機(jī)控制、組裝生產(chǎn)線、過程和生產(chǎn)等工業(yè)應(yīng)用也要求連續(xù)監(jiān)測和溫度控制。

為了支持各種溫度檢測需求和應(yīng)用，出現(xiàn)了不同類型的溫度傳感器。有些傳感器設(shè)計(jì)用于測量大廈內(nèi)的環(huán)境溫度，在不同氣候下控制溫度，有些傳感器則用于惡劣環(huán)境下的液體溫度測量，例如汽車?yán)鋮s液。

本指南介紹不同類型溫度傳感器及其優(yōu)缺點(diǎn)，以及選擇溫度傳感器時(shí)的重要考慮事項(xiàng)。我們將研究并探討適合不同應(yīng)用的最佳傳感器類型。最后，我們介紹推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的新進(jìn)展，以開發(fā)更好的溫度傳感器。

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于不同應(yīng)用。在現(xiàn)代化電子設(shè)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(yuǎn)端測溫二極管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(zhuǎn)換為可用的模擬或數(shù)字值。電路通常包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、放大器、電壓基準(zhǔn)以及其他有源或無源元件，或者專用的傳感器信號調(diào)理器IC。

本地溫度傳感器IC利用管芯上晶體管的物理特性作為檢測元件。使用ADC、放大器和電平轉(zhuǎn)換等附加電路構(gòu)成具有模擬或數(shù)字接口的傳感器。遠(yuǎn)端溫度二極管溫度傳感器采用外部連接成PN結(jié)的晶體管作為檢測元件，包括使用一個(gè)或多個(gè)外部晶體管測量溫度所需的全部信號調(diào)理電路。本設(shè)計(jì)指南中，我們討論本地和遠(yuǎn)端溫度二極管傳感器，以及讀取溫度的方式和最適合的應(yīng)用。

熱電偶

熱電偶廣泛用于各種工業(yè)、汽車和消費(fèi)類設(shè)備，采用自供電、無需激勵(lì)；與其他常見傳感器相比，其工作溫度范圍寬得多(高達(dá)+2000°C)。裸熱電偶具有非?？斓捻憫?yīng)速度，使系統(tǒng)操作中的溫度測量沒有明顯延遲。

熱電偶利用塞貝克效應(yīng)檢測溫度：不同金屬類型構(gòu)成的結(jié)之間存在溫度差時(shí)發(fā)生的一種現(xiàn)象。高溫區(qū)域和低溫區(qū)域之間的溫度差造成兩個(gè)結(jié)之間存在電壓差?？衫眠@一電壓差計(jì)算溫度。

熱電偶由兩種連接在一起的異類金屬絲制成。產(chǎn)生的輸出電壓非常小(對于K型熱電偶，約為40μV/°C)，需要復(fù)雜的信號調(diào)理(包括冷端補(bǔ)償和放大)。熱電偶的類型有多種，分別以字母表示。應(yīng)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范圍的差異。

盡管熱電偶具有諸多優(yōu)勢，但由于其測量溫度時(shí)的輸出電壓非常小，需要高精度放大，具有一定的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。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(dǎo)線較長時(shí)，也帶來了一定的挑戰(zhàn)。另一個(gè)問題是熱電偶引線與銅線(或走線)連接點(diǎn)產(chǎn)生的附加熱電偶。銅線連接到信號調(diào)理電路，形成另一個(gè)熱電偶。該點(diǎn)被稱為冷端，如圖1所示。金屬A與金屬B之間的結(jié)為主熱電偶結(jié)(也稱為“熱 端”，盡管其溫度可能低于冷端溫度)。

該電路輸出電壓表現(xiàn)為熱電偶電壓減去處于冷結(jié)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，V_OUT指示將為+500°C。為補(bǔ)償冷端效應(yīng)，就必須測量冷端溫度，并將該溫度可能產(chǎn)生的熱電偶電壓增加到V_OUT值：

V_OUT= V_TC - V_CJ

V_TC = V_OUT + V_CJ

可以在冷端位置放置一個(gè)溫度傳感器，并利用測得的溫度對冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償，從而完成誤差修正。包括冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕贾翑?shù)字轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。高精度運(yùn)放和電阻為熱電偶輸出信號提供增益，信號一般為毫伏范圍。冷端位置的溫度傳感器監(jiān)測該溫度值，ADC輸出所需分辨率的數(shù)據(jù)。一般情況下，需要通過校準(zhǔn)修正放大器的失調(diào)電壓，以及電阻、溫度傳感器、電壓基準(zhǔn)誤差，并進(jìn)行線性化處理。必須通過執(zhí)行以上步驟，才能修正熱電偶溫度-電壓關(guān)系的非線性效應(yīng)。

MAX31855和MAX31856等專用集成電路采用低噪聲高精度放大器、冷端補(bǔ)償傳感器和高分辨率ADC，簡化熱電偶信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。如圖3所示，MAX31856還包括輸入保護(hù)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就是基于這一現(xiàn)象的溫度傳感器，實(shí)際上是具有明確電阻-溫度特性的電阻。由于鉑的化學(xué)穩(wěn)定性以及溫度變化響應(yīng)的線性度較高，屬于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制造RTD。鉑 RTD具有較寬的溫度范圍(高達(dá)750°C)、優(yōu)異的精度和可重復(fù)性，以及適中的線性度。由于RTD具備高精度、高穩(wěn)定度及寬溫范圍，適用于各種高精度測量，包括儀器和過程控制。

阻值-溫度關(guān)系曲線具有適當(dāng)?shù)木€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(shí)的阻值

IEC 751規(guī)定了下列Callendar-Van Dusen系數(shù)：

a = 3.90830 x 10^-3

b = -5.77500 x 10^-7

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

與裸熱電偶相比，裸RTD元件的熱穩(wěn)定性較高，對溫度變化的響應(yīng)較慢。RTD和熱電偶往往被封裝在不銹鋼殼中。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(zhì)量相當(dāng)，所以響應(yīng)時(shí)間也相當(dāng)。信號調(diào)理對RTD溫度測量非常重要。激勵(lì)電流通過RTD，并測量RTD的電壓。如果已知激勵(lì)電流(或可推導(dǎo)出)，即可計(jì)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。