选择最佳类型的温度传感器

确定温度是工程师需要设计的最常见事情之一。也许我们没有像我们应该的那样这样做。在嵌入式设计中，我们（几乎总是）有一个可以轻松收集温度数据的微控制器。那么，为什么不测量同一MCU的温度来帮助提高设计的可靠性呢？如果您有电源转换器，了解该温度会很有用 - 控制器IC或开关电感器，或两者兼而有之。如果您的设计具有电机和轴承等机械钻头，我们可以通过监测温度在故障发生之前发现故障。这还可以为您的设计提供额外的安全性。

当然，有时工程师需要精确测量温度作为过程控制系统的一部分，有时他或她需要在扩展范围内进行测量。我们也会考虑这些情况。

实际应用的温度传感器基本上有四种类型：硅、热电偶、热敏电阻和RTD。由于它们通常坚如磐石的可靠性，工程师可以依靠温度传感器来监视他们的产品，从而使它们成为模拟的英雄。

热电偶传感器覆盖范围广

热电偶有多种类型，其中J、K和T类型最受欢迎。每种类型都有不同的两种金属配对。它们提供非常宽的温度范围 - 低至 -600°C 至高达 2300°C。 标准精度约为±2°C，但有些精度高达±0.5°C。 它们并不便宜。价格差异很大，但带保护管的 8/9“ 直径探头的起价可低至¼美元。它们可能是最不稳定和可重复的传感器类型，并且可能会受到电噪声的困扰。

好消息是，IC可用于对所有类型的热电偶的输出进行A/D转换和线性化。Maxim的MAX31855就是此类器件的一个例子，它提供七种不同的TC类型，并集成了冷端补偿。转换器将温度解析为 0.25°C。 它使用 K 型热电偶在 -2°C 至 +200°C 的温度范围内提供 ±700°C 的精度，并具有减少热电偶导线引入噪声误差的电路。数据输出是有符号的 14 位、SPI 兼容、只读的。该 IC 采用 8 引脚 SO 封装，工作温度范围为 -40° 至 125°C。 电源电流为 900μA（典型值）。

硅传感器：易于使用且准确

由于我不明白的原因，有成千上万的可用硅传感器。来自许多制造商中的每一个的数百人。您可以在 0.20 秒内以低至 100 美元的价格购买一个。但是，您可能想花更多的钱购买更准确和多功能的设备。

我选择Maxim DS18B20U作为一款出色的全能器件作为示例，在-0°C至5°C范围内具有±10.85°C精度和1-Wire数字接口。芯片可以直接从数据线获得电力（“寄生电源”）。它覆盖了-55°C至125°C的整个范围，工作在3.0V至5.0V数据线。待机电流为 1μA。

 

图2：DS18B20U框图

每条DS18B20U具有唯一的64位串行码，允许多个器件在同一条1-Wire总线上工作。芯片是可编程的，这是一件大事。首先，分辨率可在9至12位之间选择，产生的转换时间从94ms到750ms不等。接下来，报警功能具有非易失性用户可编程的上限和下限触发点。该 IC 采用 8 引脚 SO （150 mil）、8 引脚 μSOP 和 3 引脚 TO-92 封装。有几种参考原理图可用。

Maxim还提供MAX30205临床级人体温度传感器，精度为±0.1°C （最大值），适用于温度计应用。

热敏电阻：低成本和快速响应时间

热敏电阻具有一些诱人的品质。最常见的热敏电阻具有负电阻温度系数（NTC）。热敏电阻的电阻与温度曲线近似呈指数，需要线性化，但这可以在微控制器中完成。IC 可用于检测和 A/D 转换。

热敏电阻的特性包括-55°至125°C的中等温度范围（尽管有些能够承受更高的温度），低至中等成本（取决于精度）和快速响应时间。热敏电阻采用探头、标准 0402 和其他 SMT 封装，以及带裸引线的磁珠。您可以获得在其范围内具有1%容差和1Ω至1GΩ电阻值的热敏电阻。它们的价格低至每件两便士（10 数量为 000.0 美元）。不过要小心，因为一些高性能设备每个都是 10 美元。人们需要注意不要在测量时加热微小的磁珠，但可用的IC可以解决这个问题。

MAX6682热敏电阻数字转换器就是一个很好的例子。它根据热敏电阻电阻产生10位+符号输出代码。它不会线性化传递函数，但在有限的范围内，使用合适的外部固定电阻器，它可以提供相当精确的可重复测量，而无需线性化。该 IC 具有一个 3 线 SPI 兼容输出接口。该芯片可降低平均热敏电阻电流，从而最大限度地减少自发热。在两次转换之间，电源电流减小至 21μA （典型值）。它使用一个在 10°C 时标称电阻为 25kΩ 的热敏电阻，采用 8 引脚 μMAX 封装，额定温度范围为 -55° 至 125°C。还提供MAX6691四通道热敏电阻温度至脉宽转换器。

RTD 传感器可在大温度范围内工作

RTD比其他传感器稍大，约为0.25平方英寸，但它们可以在-200°至850°C的大范围内工作。最精确的RTD是用铂制成的，但低成本的RTD可以用镍制成。这些不那么稳定或可重复。铂RTD提供相当线性的输出，在-0至1°C范围内具有高精度（±1.200°至±600°C）。 它们的响应时间确实很慢。镍器件的价格从 1.50 秒开始，精度为 ±100.1 度，精度为 5.0 美元。精度为 ±3.1°C 的铂金装置每 70，1 个数量的成本约为 000.<> 美元。

 

图4：MAX31865 RTD数字转换器框图

MAX31865 RTD数字转换器芯片易于使用，具有15位Δ-Σ模数转换器。由于RTD非线性，IC产生0.031°C的输出变化，在总体工作条件下的总精度最大值为0.5°C （满量程的0.05%）。它提供 21ms （最大值） 转换时间和 ±45V 输入保护，并与 2、3 和 4 线传感器连接兼容。该 IC 采用 SPI 兼容输出，采用 20 引脚 TQFN 和 SSOP 封装。

选择一个

事实是，这四种类型都做得很好并且具有成本效益——或者至少如果你小心的话可以。除了用于极高温的热电偶外，如果我有一个安装在印刷电路板上的应用，我会采用采用8引脚μSOP SMT封装的硅传感器。如果我有一个点测量要做，那就是磁珠热敏电阻（小心那些精致的引线）。正是转换IC使设计工作变得非常容易。

审核编辑：郭婷