四类不同类型温度传感器的优缺点

温度传感器是当今众多产品应用中最常用的技术之一，比如汽车，白电和工业类产品等。为了进行可靠的温度测量，选择合适的温度传感器來应用是十分重要。了解不同类型温度传感器的优缺点有助于在测量前做出正确的选择。热电偶，热敏电阻（ NTC/ PTC ），电阻温度检测器（ RTD ）和 芯片型温度传感器是测量中最常见的类型，它们的特性区别详情见下面。

1 热电偶

热电偶是一种常见的无源传感元件，能够以可测量的方式响应温度。这些自供电元件无需激励，并且可以在较宽的温度范围（高达2000℃）内运行。它们可以快速响应，几乎不会产生严重系统延迟。

上述热电偶结构简单，由两根不同的金属线制成。得到的输出电压较小（对于K型而言，约为40 μV/℃），需要精确放大。否则外部噪声（特别是当热电偶和测量电路之间的电线较长时）可能会使信号失真。下表展示了常见的热电偶类型及其特性。

另一个问题出在热电偶的引脚与信号线路铜布线相接时所产生的冷接点；这会在电路中产生第二个热电偶。为了补偿冷接点的影响，需测量冷接点温度，并将该温度所产生的热电偶电压（Vout）添加到Vout指示的值中：

Vtc = Vout + Vcj
其中，Vtc = 由于热电偶传感而产生的电压
Vcj = 在冷接点温度下传感期间的电压

以下是典型的热电偶补偿电路。温度传感器位于冷接点区域以进行监控，且ADC以所需的分辨率提供输出数据。

2 热敏电阻

热敏电阻是一种与温度相关的电阻——这一术语本身就是“热”和“电阻”两个词的组合。热敏电阻分为两大类：

 

类型	说明
PTC	正温度系数——电阻随温度的升高而增大
NTC	负温度系数——电阻随温度的升高而减小

 

什么是温度补偿？NTC热敏电阻常用于石英晶体振荡器之振荡频率的温度补偿。温度补偿是一种旨在减少温度波动对温度变化敏感元件的影响的过程。

什么是热时间常数？热敏电阻温度改变其温差（从环境温度T0（°C）到T1（°C），通常以63.2%的变化率为标准）的时间。

这表明常数τ（秒）被定义为热敏电阻达到其初始和最终体温之总差的63.2%所用的时间。

什么是耐压？耐压用于指示在25°C的静止空气中及三分钟时间内所能承受的电压量。测量耐压的方法是，从0V开始逐渐增加的电压量。

什么是 B 常数？B常数表示热敏电阻对温度变化的敏感度（以电阻的变化率表示）。变化率也可以用一条线的倾斜度来表示。倾斜度越大，敏感度越高。

根据以下方程，可使用在两个指定环境温度下的电阻值来计算该常数。

B=ln (R/R0) / (1/T-1/T0)

R：环境温度为T（K）时的电阻值; 

R0：环境温度为T0（K）时的电阻值

都是热敏电阻器, PTC 和 NTC 的区别你知道吗?

热敏电阻其主要功能是随着温度的变化而表现出电阻的变化。

NTC  (负温度系数) 热敏电阻器

无功耗电阻

其电阻随温度上升而減少

NTC电阻对温度变化的响应通常是线性的。当需要连续线性改变电阻与温度时，例如温度补偿，温度控制系统和浪涌电流限制，选择NTC热敏电阻是比較合适的。

PTC (正温度系数) 热敏电阻器

无功耗电阻

其电阻随温度上升而增加

PTC电阻会随温度的增加发生轻微变化，直到达到“切换点”，之后电阻值会发生几个数量级的增加。PTC通常适用于具有自复位功能的保险丝以及加热器应用。

3 RTD温度传感器

RTD（电阻温度探测器）是一种传感器，其阻值会随着温度的升高而变大，随着温度的降低而减小。

RTD 温度传感器应用，要留意哪些？

1) 材料不是所有的金属都适合做成RTD，符合这一特性的材料需要满足如下几个要求：

该金属的阻值与温度呈线性关系；

该金属对温度的变化比较敏感，即单位温度变化引起的阻值变化（温度系数）比较大；

该金属能够抵抗温度变化造成的疲劳，具有好的耐久性；

满足这些要求的金属材料不多，常见的RTD材料有：铂（Pt）、镍（Ni）和铜（Cu）

图 1 不同金属，阻值与温度关系

图片来源于TE （  TE RTD）

2) 阻值与温度的关系

0℃时电阻0℃时电阻，即0℃时RTD对应的阻值。结合材料与0℃时电阻，可分为Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。

比如：Pt100，表示该传感器在0℃下的电阻值为100Ω；而Pt1000，则表示该传感器在0℃下的电阻值为1000Ω 。

不同类型RTD对应温度范围

数据来源于ADI

Pt100 ，Pt1000该怎么选？

对于RTD阻值的测量，通常的做法是，给于RTD一个恒定的电流源，然后使用ADC来检测两端电压，从而得出该RTD阻值。

也就是说，相同电流作用下，比起使用Pt100，使用Pt1000灵敏度将可以提高十倍，但同时ADC检测到的电压也会提高10倍。具体怎么选，我们还需要结合ADC等其他器件综合考量。

温度系数αRTD热电阻在不同温度下的阻值可以用公式：R= R0 (1+At)来近似计算。

1）R0表示RTD在0℃下的电阻值；

2）A 称为温度系数，表示单位温度下电阻的变化值；

3）t表示测量温度，单位为℃；温度系数越大，代表传感器对温度越敏感。

对于Pt材料的RTD, 要达到更精确的电阻温度拟合，可以参考DIN EN 60751公式

当R0 = 100 Ω时:
A = 3.9083 × 10−3

B = −5.775 × 10−7C = −4.183 × 10−12

3) 工作温度范围与精度一般原厂出厂，都会有校准温度（通常是0℃），随着温度的变化，离校准温度越远，公差变化越大。而精度是在某一温度范围内可以达到。我们在设计时，需要把这点考虑进去。

举例：TE 的 NB-PTCO-011

数据手册中给出，0.15%是在温度范围 -30℃到300℃内实现

图 2 精度对应温度范围 （来源于TE 数据手册 ）

4) RTD 接线配置

市场上有三种不同的RTD布线配置（二线制，三线制，四线制）。对于三线制和四线制，可以有效消除引线上电阻对于测量的影响。原理是把测量回路和供电回路分开，测量回路中引线电流的小到忽略不计，从而有效消除引线上电阻对于测量的影响。

5) RTD 应用实例 - 比率测量

对于RTD, 比率配置是一种合适且经济高效的解决方案。我们使用四线制作为一个例子。下图红色箭头方向是激励源的电流路径，分别流经传感器电阻和一个精密的参考电阻。然后分别测量传感器电阻和参考电阻两端的电压。这么做的好处是，激励源不需要很精确，给予传感器电阻和参考电阻一个相同的电流，然后比较这两电阻的电压值。

图 3 四线制RTD,比率测量 （图片来源于ADI）

直接选用支持比率测量的ADC，比如ADI AD7124, Σ-Δ ADC (Sigma-Delta)，带有可编程增益放大器，激励源，可以大大简化RTD设计。

使用Σ-Δ ADC的另一个好处是，由于Σ-Δ ADC对模拟输入进行过采样，对于滤波器的设计大大简化，只需简单的单极RC滤波器即可。

国家电网也可能以50 Hz/60 Hz及其倍数的噪声产生干扰。一些ADC会自带滤波器。ADI的AD7124自带滤波器选项，可以针对50 Hz/60 Hz频率滤波，但该滤波会对ADC输出数据速度产生影响。

编辑：黄飞