各种温度传感器作用、工作原理及优缺点

各种温度传感器作用、工作原理及优缺点温度测量应用非常广泛，不仅生产工艺需要温度控制，有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量，如计算机要监控CPU的温度，马达控制器要知道功率驱动IC的温度等。温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁制造到半 导体生产，很多工艺都要依靠温度来实现，温度传感器是应用 系统与现实之间的桥梁。热敏电阻器：用来测量温度的传感器种类很多，热敏电阻器就是其中之 一。许多热敏电阻具有负温度系数（NTC），也就是说温度下降 时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中，热敏电阻的灵敏度（即温度 每变化一度时电阻的变化）最高，但热敏电阻的电阻/温度曲线 是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的，但 它也代表了 NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出（R/R25），该比率表示当 前温度下的阻值与25弋时的阻值之比，通常同一系列的热敏 电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例，25C时阻值为10KQ的电 阻，在0C时电阻为28.1KQ, 60C时电阻为4.086KQ;与此类 似，25C时电阻为5KQ的热敏电阻在0C时电阻则为 14.050KQ。h103040SO7000图1是热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是 非线性的。虽然这里的热敏电阻数据以10C为增量，但有些热敏电 阻可以以5C甚至1C为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值，可以用这个曲线来估计，也可以直接计算出电阻值，计算公式如下：这里T指开氏绝对温度，A、B、C、D是常数，根据热敏 电阻的特性而各有不同，这些参数由热敏电阻的制造商提供。热敏电阻一般有一个误差范围，用来规定样品之间的一致 性。根据使用的材料不同，误差值通常在1%至10%之间。有 些热敏电阻设计成应用时可以互换，用于不能进行现场调节的 场合。例如：一台仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻而 无法进行校准，这种热敏电阻比普通的精度要高很多，也要贵 得多。图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻 R1将热 敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与 ADC的参考电压一 致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处的 电压也产生变化，该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差 以及参考电压的精度。自热问题：由于热敏电阻是一个电阻，电流流过它时会产生一定的热 量，因此电路设计人员应确保拉升电阻足够大，以防止热敏电 阻自热过度，否则系统测量的是热敏电阻发出的热，而不是周 围环境的温度。热敏电阻消耗的能量对温度的影响用耗散常数来表示，它 指将热敏电阻温度提高比环境温度高1 C所需要的毫瓦数。耗散常数因热敏电阻的封装、管脚规格、包封材料及其它 因素不同而不一样。系统所允许的自热量及限流电阻大小由测量精度决定，测 量精度为 5C的测量系统比精度为土 1C测量系统可承受的热 敏电阻自热要大。应注意拉升电阻的阻值必须进行计算，以限定整个测量温 度范围内的自热功耗。给定出电阻值以后，由于热敏电阻阻值 变化，耗散功率在不同温度下也有所不同。有时需要对热敏电阻的输入进行标定以便得到合适的温度 分辨率，图3是一个将1040弋温度范围扩展到ADC整个 05V输入区间的电路。运算放大器输出公式如下：一旦热敏电阻的输入标定完成以后，就可以用图表表示出 实际电阻与温度的对应情况。由于热敏电阻是非线性的，所以 需要用图表表示，系统要知道对应每一个温度 ADC的值是多 少，表的精度具体是以1 C为增量还是以5弋为增量要根据具 体应用来定。累积误差：用热敏电阻测量温度时，在输入电路中要选择好传感器及 其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些场合需要精度为 1%的电阻，而有些可能需要精度为0.1%的电阻。在任何情况 下都应用一张表格算出所有元件的累积误差对测量精度的影 响，这些元件包括电阻、参考电压及热敏电阻本身。如果要求精度高而又想少花一点钱，则需要在系统构建好 后对它进行校准，由于线路板及热敏电阻必须在现场更换，所 以一般情况下不建议这样做。在设备不能作现场更换或工程师 有其它方法监控温度的情况下，也可以让软件建一张温度对应ADC变化的表格，这时需要用其它工具测量实际温度值，软 件才能创建相对应的表格。对于有些必须要现场更换热敏电阻 的系统，可以将要更换的元件（传感器或整个模拟前端）在出厂 前就校准好，并把校准结果保存在磁盘或其它存储介质上，当 然，元件更换后软件必须要能够知道使用校准后的数据。总的来说，热敏电阻是一种低成本温度测量方法，而且使用也很简单，下面我们介绍电阻温度探测器和热电偶温度传感器。电阻温度探测器：电阻温度探测器（RTD）实际上是一根特殊的导线，它的电 阻随温度变化而变化，通常RTD材料包括铜、铂、镍及镍/铁 合金 合金。RTD元件可以是一根导线，也可以是一层薄膜，采用电镀 或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上。RTD的电阻值以0C阻值作为标称值。0C 100Q铂RTD 电阻在1C时它的阻值通常为100.39Q, 50C时为119.4Q, 图4是RTD电阻/温度曲线与热敏电阻的电阻/温度曲线的比 较。RTD的误差要比热敏电阻小，对于铂来说，误差一般在 0.01%，镍一般为 0.5%。除误差和电阻较小以外，RTD与热敏电阻的接口电路基本 相同。热电偶：热电偶由两种不同金属结合而成，它受热时会产生微小的 电压，电压大小取决于组成热电偶的两种金属材料，铁-康铜J 型）、铜-康铜（T型）和铬-铝（K型）热电偶是最常用的三种。热电偶产生的电压很小，通常只有几毫伏。K型热电偶温 度每变化1C时电压变化只有大约40pV,因此测量系统要能 测出4pV的电压变化测量精度才可以达到0.1 C。由于两种不同类型的金属结合在一起会产生电位差，所以 热电偶与测量系统的连接也会产生电压。一般把连接点放在隔热块上以减小这一影响，使两个节点 处以同一温度下，从而降低误差。有时候也会测量隔热块的温 度，以补偿温度的影响（图5）。测量热电偶电压要求的增益一般为100到300 ,而热电偶 撷取的噪声也会放大同样的倍数。通常采用测量放大器来放大信号，因为它可以除去热电偶 连线里的共模噪声。市场上还可以买到热电偶信号调节器，如模拟器件公司的AD594/595，可用来简化硬件接口。固态热传感器：最简单的半导体温度传感器就是一个PN结，例如二极管 或晶体管基极-发射极之间的PN结。如果一个恒定电流流过正向偏置的硅 PN结，正向压降在 温度每变化1C时会降低1.8mV。温度传感器种类很多，通过正确地选择软件和硬件，-定可以找到适合自己应用的传感器。