RTD、熱電偶、熱敏電阻器、IC傳感器這四種溫度傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較

選擇溫度傳感產(chǎn)品也許看似小事一樁，但由于可用的產(chǎn)品多種多樣，因此這項任務(wù)可能令人頗感畏懼。在這篇文章中，筆者將介紹四種類(lèi)型的溫度傳感器(電阻式溫度檢測器 (RTD)、熱電偶、熱敏電阻器以及具有數字和模擬接口的集成電路 (IC) 傳感器)并討論每種傳感器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。

從系統級的立足點(diǎn)來(lái)看，溫度傳感器是否適合您的應用將取決于所需的溫度范圍、準確度、線(xiàn)性度、解決方案成本、功能、功耗、解決方案尺寸、安裝法(表面貼裝法與通孔插裝法以及電路板外安裝法)還有必要支持電路的易設計程度。

RTD

當一邊測量RTD的電阻一邊改變它的溫度時(shí)，響應幾乎是線(xiàn)性的，表現得像一個(gè)電阻器。如圖1所示，該RTD的電阻曲線(xiàn)并非完全呈線(xiàn)性，而是有幾度的偏差(示出了一條用作參考的直線(xiàn))—— 但卻是高度可預測并可復驗的。為了對這種輕微的非線(xiàn)性進(jìn)行補償，大多數設計人員都會(huì )對測得的電阻值進(jìn)行數字化處理，并使用微控制器內的查找表以便應用校正因子。這種寬溫度范圍(大約-250℃至+750℃)內的可復驗性和穩定性使RTD在高精度應用(包括在管道和大容器內測量液體或氣體的溫度)中極為有用。

圖1：RTD的電阻與溫度

用來(lái)處理RTD模擬信號的電路的復雜度基本上根據應用而變化。放大器和模數轉換器(ADC)等組件(這些組件會(huì )產(chǎn)生它們自己的誤差)是不可或缺的。只有當測量必要時(shí)才給傳感器供電 —— 通過(guò)該方法您也可實(shí)現低功耗運行，但這會(huì )使該電路復雜得多。而且，使傳感器通電所需的功率還會(huì )提高其內部的溫度，從而影響測量準確度。僅僅幾毫安的電流，這種自加熱效應就會(huì )產(chǎn)生溫度誤差(這些誤差是可糾正的，但需要進(jìn)一步的斟酌考量)。另外，請謹記：線(xiàn)繞式鉑RTD或薄膜RTD的成本可能相當高，尤其當與IC傳感器的成本進(jìn)行比較時(shí)。

熱敏電阻器

熱敏電阻器是另一種類(lèi)型的電阻式傳感器。有多種多樣可用的熱敏電阻器，從物美價(jià)廉的產(chǎn)品到高精度產(chǎn)品，不一而足。低成本、低精度的熱敏電阻器可執行簡(jiǎn)單的測量或閾值檢測功能 —— 這類(lèi)電阻器需多個(gè)組件(如比較器、參考和分立式電阻器)，但非常便宜，并具有非線(xiàn)性的電阻-溫度屬性，如圖2所示。如果您需要測量寬范圍的溫度，您將需進(jìn)行大量的線(xiàn)性化處理工作。對幾個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行校準可能是必要的。為實(shí)現更高的精度，可用更昂貴且公差更緊的熱敏電阻陣列來(lái)幫助解決這種非線(xiàn)性難題，但這種陣列通常比單個(gè)熱敏電阻器靈敏度低。

圖2：熱敏電阻器的電阻與溫度

因為多跳變點(diǎn)系統增加了復雜度和成本，所以低成本熱敏電阻器一般僅用于具有最少功能要求的應用，包括烤面包器、咖啡機、電冰箱和吹風(fēng)機。此外，熱敏電阻器還會(huì )遭受自加熱問(wèn)題的困擾(通常在較高溫度下，此時(shí)它們的電阻較低)。和RTD的情況一樣，尚未發(fā)現不能在低電源電壓下使用熱敏電阻器的根本原因 —— 但請記住，滿(mǎn)量程輸出越低，它根據模數轉換器(ADC)特性直接轉化成的系統靈敏度越低。小功率應用還需要提高電路復雜度，以便能對噪聲引起的誤差非常敏感。熱敏電阻器可在-100°C至+500°C的溫度范圍內運行，雖然大多數熱敏電阻器的額定最高工作溫度范圍是+100°C至+150°C。

熱電偶

熱電偶包括由不同材料制成的兩根電線(xiàn)的接點(diǎn)。例如，J型熱電偶是由鐵和康銅制成的。如圖3所示，接點(diǎn)1位于待測量的溫度處，而接點(diǎn)2和接點(diǎn)3則被置于用LM35模擬溫度傳感器測定的不同溫度處。輸出電壓與這兩個(gè)溫度值的差大致成比例。

圖3：將LM35用于熱電偶冷接點(diǎn)補償

因為熱電偶的靈敏度相當低(在每攝氏度幾十微伏的量級上)，所以您將需要低偏移放大器來(lái)產(chǎn)生可用的輸出電壓。在熱電偶的工作范圍內，溫度至電壓傳遞函數中的非線(xiàn)性往往需要補償電路或查找表，正如RTD和熱電偶一樣。然而，盡管有這些缺點(diǎn)，熱電偶仍非常流行，尤其適用于烤箱、水加熱器、窯爐、測試設備和其它工業(yè)處理 —— 原因是熱電偶的熱質(zhì)量很低且工作溫度范圍(工作溫度可擴展至2300℃以上)很寬泛。

IC傳感器

IC傳感器可在-55°C至+150°C的溫度范圍內工作 —— 精選的幾種IC傳感器工作溫度可高達+200°C。有各種類(lèi)型的集成式IC傳感器，不過(guò)四種最常見(jiàn)的集成式IC傳感器當屬模擬輸出器件、數字接口器件、遠程溫度傳感器以及那些具有溫控器功能的集成式IC傳感器(溫度開(kāi)關(guān))。模擬輸出器件(一般是電壓輸出，但有些也具有電流輸出)在其需要ADC來(lái)對輸出信號進(jìn)行數字化處理時(shí)最像無(wú)源解決方案。數字接口器件最常使用兩線(xiàn)接口(I2C或PMBus)，并具有內置的ADC。

除了也包括一個(gè)局部溫度傳感器外，遠程溫度傳感器還具有一路或多路輸入以便監測遠程二極管溫度 —— 它們最常被置于高度集成的數字IC(例如，處理器或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列【FPGA】)中。當達到溫度閾值時(shí)，溫控器可提供簡(jiǎn)單的警報。

使用IC傳感器有許多好處，包括：功耗低;可提供小型封裝產(chǎn)品(有些尺寸小到0.8mm×0.8mm);還可在某些應用中實(shí)現低器件成本。此外，由于IC傳感器在生產(chǎn)測試過(guò)程中都經(jīng)過(guò)校準，因此沒(méi)有必要進(jìn)一步校準。它們通常用于健身跟蹤應用、可佩戴式產(chǎn)品、計算系統、數據記錄器和汽車(chē)應用。

經(jīng)驗豐富的電路板設計人員將根據最終產(chǎn)品要求來(lái)使用最合適的解決方案。表1展示了每種溫度傳感器的相對優(yōu)勢/劣勢。

表1：RTD、熱敏電阻器、熱電偶和IC傳感器的相對優(yōu)勢與劣勢