不同类型温度传感器选型及应用设计

 本期关键词 温度传感器, 温度检测, 热电偶, RTD, 电阻温度检测器

温度传感器无处不在。无论是大厦，还是家中，HVAC系统、冰箱、冷藏库和计算机都离不开温度传感器测量。电机控制、组装生产线、过程和生产等工业应用也要求连续监测和温度控制。

为了支持各种温度检测需求和应用，出现了不同类型的温度传感器。有些传感器设计用于测量大厦内的环境温度，在不同气候下控制温度，有些传感器则用于恶劣环境下的液体温度测量，例如汽车冷却液。

本指南介绍不同类型温度传感器及其优缺点，以及选择温度传感器时的重要考虑事项。我们将研究并探讨适合不同应用的最佳传感器类型。最后，我们介绍推动技术进步的新进展，以开发更好的温度传感器。

温度传感器类型

温度传感器具有不同的形式和各种各样的功能，不同类型的传感器适用于不同应用。在现代化电子设备中，有5种最常用的温度传感器：热电偶、电阻温度检测器(RTD)、热敏电阻、本地温度传感器、远端测温二极管IC等。

热电偶、RTD和热敏电阻是可以提供温度特性测量的检测元件，通过电路连接将传感器信号转换为可用的模拟或数字值。电路通常包括模/数转换器(ADC)、放大器、电压基准以及其他有源或无源元件，或者专用的传感器信号调理器IC。

本地温度传感器IC利用管芯上晶体管的物理特性作为检测元件。使用ADC、放大器和电平转换等附加电路构成具有模拟或数字接口的传感器。远端温度二极管温度传感器采用外部连接成PN结的晶体管作为检测元件，包括使用一个或多个外部晶体管测量温度所需的全部信号调理电路。本设计指南中，我们讨论本地和远端温度二极管传感器，以及读取温度的方式和最适合的应用。

热电偶

热电偶广泛用于各种工业、汽车和消费类设备，采用自供电、无需激励；与其他常见传感器相比，其工作温度范围宽得多(高达+2000°C)。裸热电偶具有非常快的响应速度，使系统操作中的温度测量没有明显延迟。

热电偶利用塞贝克效应检测温度：不同金属类型构成的结之间存在温度差时发生的一种现象。高温区域和低温区域之间的温度差造成两个结之间存在电压差。可利用这一电压差计算温度。

热电偶由两种连接在一起的异类金属丝制成。产生的输出电压非常小(对于K型热电偶，约为40μV/°C)，需要复杂的信号调理(包括冷端补偿和放大)。热电偶的类型有多种，分别以字母表示。应用最广的热电偶为K型热电偶。表1所列为几种常见热电偶的特性汇总。注意不同类型热电偶之间的灵敏度和测温范围的差异。

尽管热电偶具有诸多优势，但由于其测量温度时的输出电压非常小，需要高精度放大，具有一定的设计挑战。热电偶对外部噪声的敏感性，特别是热电偶和测量电路之间的导线较长时，也带来了一定的挑战。另一个问题是热电偶引线与铜线(或走线)连接点产生的附加热电偶。铜线连接到信号调理电路，形成另一个热电偶。该点被称为冷端，如图1所示。金属A与金属B之间的结为主热电偶结(也称为“热 端”，尽管其温度可能低于冷端温度)。

该电路输出电压表现为热电偶电压减去处于冷结温度下的相似热电偶的电压。

例如，若热电偶所处温度为+525°C，而冷端温度为+25°C，V_OUT指示将为+500°C。为补偿冷端效应，就必须测量冷端温度，并将该温度可能产生的热电偶电压增加到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个温度传感器，并利用测得的温度对冷端温度进行补偿，从而完成误差修正。包括冷端补偿的热电偶至数字转换电路如图2所示。高精度运放和电阻为热电偶输出信号提供增益，信号一般为毫伏范围。冷端位置的温度传感器监测该温度值，ADC输出所需分辨率的数据。一般情况下，需要通过校准修正放大器的失调电压，以及电阻、温度传感器、电压基准误差，并进行线性化处理。必须通过执行以上步骤，才能修正热电偶温度-电压关系的非线性效应。

MAX31855和MAX31856等专用集成电路采用低噪声高精度放大器、冷端补偿传感器和高分辨率ADC，简化热电偶信号调理电路的设计。如图3所示，MAX31856还包括输入保护和线性化处理，支持8种主流热电偶类型。

RTD (电阻温度检测器)

任何金属丝的电阻率都随温度变化。RTD就是基于这一现象的温度传感器，实际上是具有明确电阻-温度特性的电阻。由于铂的化学稳定性以及温度变化响应的线性度较高，属于RTD中最常见、精度最高的金属丝材料。铂RTD也称为PRTD，常用的有100Ω和1kΩ电阻(0°C)，分别称为PT100和PT1000。镍、铜和其它金属亦可用来制造RTD。铂 RTD具有较宽的温度范围(高达750°C)、优异的精度和可重复性，以及适中的线性度。由于RTD具备高精度、高稳定度及宽温范围，适用于各种高精度测量，包括仪器和过程控制。

阻值-温度关系曲线具有适当的线性度，但有一定弯曲，可由Callendar-Van Dusen方程表示：

R(T) = R0(1 + aT + bT² + c(T - 100)T³)

式中：

T = 温度(°C)

R(T) = T温度下的阻值

R0 = T为0°C时的阻值

IEC 751规定了下列Callendar-Van Dusen系数：

a = 3.90830 x 10^-3

b = -5.77500 x 10^-7

当-200°C ≤ T ≤ 0°C时，c= -4.18301 x 10^-12；当0°C ≤ T ≤+850°C时，c = 0。

与裸热电偶相比，裸RTD元件的热稳定性较高，对温度变化的响应较慢。RTD和热电偶往往被封装在不锈钢壳中。在这种情况下，对这两种传感器类型来说，整体探头的温度质量相当，所以响应时间也相当。信号调理对RTD温度测量非常重要。激励电流通过RTD，并测量RTD的电压。如果已知激励电流(或可推导出)，即可计算得到RTD电阻。传感器配置可以是2线、3线或4线，如图4所示。