溫度傳感器相關(guān)知識(shí)總結(jié)

如果您要進(jìn)行可靠的溫度測(cè)量，就需要為您的應(yīng)用選擇正確的溫度傳感器。熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻(RTD)和溫度IC是測(cè)試中最常用的溫度傳感器。

圖1各種流行溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
熱電偶

測(cè)溫原理:

兩種不同成分的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表連接，顯示出熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，通過查詢熱電偶分度表，即可得到被測(cè)介質(zhì)溫度。

熱電偶是溫度測(cè)量中最常用的傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應(yīng)各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實(shí)、價(jià)低，無需供電，尤其最便宜。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構(gòu)成，如圖2所示。當(dāng)熱電偶一端受熱時(shí)，熱電偶電路中就有電勢(shì)差?？捎脺y(cè)量的電勢(shì)差來計(jì)算溫度。

圖 2熱偶電路圖(左)和熱偶電壓— 溫度曲線例子(右)
由于電壓和溫度是非線性關(guān)系，因此需要為參考溫度(Tref)作第二次測(cè)量，并利用測(cè)試設(shè)備軟件和∕或硬件在儀器內(nèi)部處理電壓—溫度變換，以最終獲得熱偶溫度(Tx)。Agilent34970A和34980A數(shù)據(jù)采集器均有內(nèi)置的測(cè)量了運(yùn)算能力。

簡而言之，熱偶是最簡單和最通用的溫度傳感器，但熱偶并不適合高精度的應(yīng)用。

常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

熱敏電阻

（1） 測(cè)溫原理:

熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測(cè)量出溫度。

目前主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。

金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，即：

式中，Rt為溫度t時(shí)的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時(shí)對(duì)應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為：

式中Rt為溫度為t時(shí)的阻值；A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。

熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料，大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會(huì)造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標(biāo)準(zhǔn)化的熱敏電阻曲線。

圖3熱敏電阻電路圖

熱敏電阻體積非常小，對(duì)溫度變化的響應(yīng)也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對(duì)自熱誤差極為敏感。

熱敏電阻在兩條線上測(cè)量的是絕對(duì)溫度， 有較好的精度，但它比熱偶貴，可測(cè)溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在25℃時(shí)的阻值為5kΩ，每1℃的溫度改變?cè)斐?00Ω的電阻變化。注意10Ω的引線電阻僅造成可忽略的0.05℃誤差。它非常適合需要進(jìn)行快速和靈敏溫度測(cè)量的電流控制應(yīng)用。尺寸小對(duì)于有空間要求的應(yīng)用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。

測(cè)量技巧

熱敏電阻體積小是優(yōu)點(diǎn)，它能很快穩(wěn)定，不會(huì)造成熱負(fù)載。不過也因此很不結(jié)實(shí)，大電流會(huì)造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會(huì)在其上因功率而造成發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導(dǎo)致永久性的損壞。

電阻溫度傳感器

與熱敏電阻相似，鉑電阻溫度傳感器(RTD)是用鉑制成的熱敏感電阻。當(dāng)通過測(cè)量電壓計(jì)算RTD溫度時(shí)，數(shù)字萬用表用已知電流源測(cè)量該電流源所產(chǎn)生的電壓。這一電壓為兩條引線(Vlead)上的壓降加RTD上的電壓(Vtemp)。例如，常用RTD的電阻為100Ω，每1℃僅產(chǎn)生0.385Ω的電阻變化。如果每條引線有10Ω電阻，就將造成26℃的測(cè)量誤差，這是不可接受的。所以應(yīng)對(duì)RTD作4線歐姆測(cè)量。

圖4RTD需要用4線測(cè)量

RTD是最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器，它的線性度優(yōu)于熱偶和熱敏電阻。但RTD是最貴的溫度傳感器。因此RTD最適合對(duì)精度有嚴(yán)格要求，而速度和價(jià)格不太關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。

測(cè)量技巧

• 使用5mA電流源會(huì)因自熱造成2.5℃的溫度測(cè)量誤差。因此把自熱誤差減到最小是極為重要的。

• 4線測(cè)量更為精確，但需要兩倍的引線和兩倍的開關(guān)。

溫度IC

溫度集成電路(IC)是一種數(shù)字溫度傳感器，它有非常線性的電壓∕電流—溫度關(guān)系。有些IC傳感器甚至有代表溫度、并能被微處理器直接讀出的數(shù)字輸出形式。

圖6電流傳感器(左)和電壓傳感器(右)

有兩類具有如下溫度關(guān)系的溫度IC：

• 電壓IC: 10 mV/K。

• 電流IC: 1μA/K。
  
  溫度IC的輸出是非常線性的電壓∕℃。實(shí)際產(chǎn)生的是電壓∕Kelvin，因此室溫時(shí)的1℃輸出約為3V。溫度IC需要有外電源。通常溫度IC是嵌入在電路中而不用于探測(cè)。

溫度IC缺點(diǎn)是溫度范圍非常有限，也存在同樣的自熱、不堅(jiān)固和需要外電源的問題。總之，溫度IC提供產(chǎn)生正比于溫度的易讀讀數(shù)方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。

測(cè)量技巧

• 溫度IC 體積較大，因此它變化慢，并可能造成熱負(fù)載。

• 把溫度IC用于接近室溫的場合。這是它最流行的應(yīng)用。雖然測(cè)量范圍有限，但也能測(cè)量150℃的高溫。

實(shí)例

LM135235335系列是美國國家半導(dǎo)體公司（NS）生產(chǎn)的一種高精度易校正的集成溫度傳感器，是電壓輸出型溫度傳感器，工作特性類似于齊納穩(wěn)壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K，具有小于1Ω的動(dòng)態(tài)阻抗，工作電流范圍從400μA到5mA，精度為1℃，LM135的溫度范圍為-55℃～+150℃，LM235的溫度范圍為-40℃～+125℃，LM335為-40℃~+100℃。封裝形式有TO-46、TO-92、SO-8。該器件廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫差測(cè)量以及溫度補(bǔ)償系統(tǒng)中。詳細(xì)信息見LM135，235，335.pdf。

AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃，輸出電流為223μA~423μA，輸出電流變化1μA相當(dāng)于溫度變化1℃，最大非線性誤差為±0.3℃，響應(yīng)時(shí)間僅為20μs，重復(fù)性誤差低至±0.05℃，功耗約為2mW,輸出電流信號(hào)的傳輸距離可達(dá)到1km以上，作為一種高阻電流源，最高可達(dá)20MΩ，所以它不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差,適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的控制。詳細(xì)信息見AD590.pdf。

數(shù)字式溫度傳感器：

（1） 原理：

將敏感元件、A/D轉(zhuǎn)換單元、存儲(chǔ)器等集成在一個(gè)芯片上，直接輸出反應(yīng)被測(cè)溫度的數(shù)字信號(hào)，使用方便，但響應(yīng)速度較慢（100ms數(shù)量級(jí)）。

（2） 實(shí)例：

DS18B20是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的世界上第一片支持“一線總線”

接口的數(shù)字式溫度傳感器，供電電壓范圍為3～5.5V，測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，可編程的9～12位分辨率，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，出廠設(shè)置默認(rèn)為12位，在12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

經(jīng)驗(yàn)豐富的電路板設(shè)計(jì)人員將根據(jù)最終產(chǎn)品要求來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(duì)優(yōu)勢(shì)/劣勢(shì)。

非接觸式溫度傳感器

非接觸式的溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)：

1、由于和被測(cè)量介質(zhì)不直接發(fā)生接觸，所以不用考慮被接觸介質(zhì)的一些自身物理特性，例如：粘附、腐蝕、磨損等等都不會(huì)對(duì)傳感器造成損害。而接觸搜索式的就要面臨這些問題的額外解決。

2、受空間局限性較小。對(duì)于一些距離較遠(yuǎn)不易接觸到的被測(cè)量目標(biāo)可以遠(yuǎn)距離測(cè)量溫度。

3、對(duì)于一些不方便接觸測(cè)量的目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)械、運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)等等

非接觸式溫度傳感器缺點(diǎn)：

1、容易受到環(huán)境因素干擾，例如熱輻射

2、不容易實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的長期連續(xù)測(cè)量。

MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器采用非接觸溫度測(cè)量技術(shù)，是一種高性價(jià)比的熱成像解決方案。該16 x 4遠(yuǎn)紅外熱電堆傳感器陣列可覆蓋-20°C～300°C的溫度范圍，能生成目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時(shí)熱值圖譜。有了它，就可以不用單點(diǎn)傳感器或昂貴的微測(cè)熱輻射計(jì)來掃描目標(biāo)區(qū)域了。

MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器可即獲取64幅二維像素圖片，大大簡化集成熱成像系統(tǒng)，從而將價(jià)格維持在大批量、低成本應(yīng)用領(lǐng)域能夠接受的范圍。該陣列在每個(gè)像素中集成了一個(gè)放大器和一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可提供0.5-64赫茲的幀速率。在0°C －50°C溫度范圍內(nèi)使用時(shí)可保持±1.5°C的精確度。有60o x 15o和40o x 10o兩個(gè)視場可供選擇。MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器擁有高速I2C兼容數(shù)字界面，采用的是帶控制單元的同步化觸發(fā)模式，可以單獨(dú)使用，也可以與多臺(tái)設(shè)備組合構(gòu)成陣列，獲得更高的圖像分辨率。

遠(yuǎn)紅外線成像正成為汽車行業(yè)非常重要的一項(xiàng)技術(shù)，能夠提高汽車的安全性。MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器可用于車輛的行人探測(cè)、近距離盲點(diǎn)探測(cè)和乘坐率分類等領(lǐng)域。這種傳感器陣列提供的多點(diǎn)精確熱圖像還能幫助智能樓宇控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)量和入住率統(tǒng)計(jì)。在家用環(huán)境中，該陣列能夠使微波爐和其它傳統(tǒng)爐灶更加智能化。人們對(duì)能源效率的關(guān)注推動(dòng)了市場對(duì)熱成像設(shè)備的需求不斷上升。熱成像設(shè)備可以探測(cè)房間的熱損耗情況，并以圖像形式指明需要改進(jìn)的地方。MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器非常適宜于家用和商用低分辨率紅外熱像儀，能滿足上述各任務(wù)的需要。在商用環(huán)境中，該傳感器為智能程序控制和熱檢測(cè)開辟了新的機(jī)會(huì)。最后，它還能用作智能火災(zāi)探測(cè)傳感器，可幫助消防人員和其他應(yīng)急服務(wù)人員發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)、探明疏散路線和隱蔽火源。