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常见的四种温度传感器优缺点介绍

发布日期:2021-01-06 08:58

  选择温度传感产品也许看似小事一桩,但由于可用的产品多种多样,因此这项任务可能令人颇感畏惧。在这篇文章中,笔者将介绍四种类型的

  从系统级的立足点来看,温度传感器是否适合您的应用将取决于所需的温度范围、准确度、线性度、解决方案成本、功能、功耗、解决方案尺寸、安装法(表面贴装法与通孔插装法以及电路板外安装法)还有必要支持电路的易设计程度。

  当一边测量RTD的电阻一边改变它的温度时,响应几乎是线性的,表现得像一个电阻器。如图1所示,该RTD的电阻曲线并非完全呈线性,而是有几度的偏差(示出了一条用作参考的直线)——但却是高度可预测并可复验的。为了对这种轻微的非线性进行补偿,大多数设计人员都会对测得的电阻值进行数字化处理,并使用微控制器内的查找表以便应用校正因子。这种宽温度范围(大约-250℃至+750℃)内的可复验性和稳定性使RTD在高精度应用(包括在管道和大容器内测量液体或气体的温度)中极为有用。

  用来处理RTD模拟信号的电路的复杂度基本上根据应用而变化。放大器模数转换器ADC)等组件(这些组件会产生它们自己的误差)是不可或缺的。只有当测量必要时才给传感器供电——通过该方法您也可实现低功耗运行,但这会使该电路复杂得多。而且,使传感器通电所需的功率还会提高其内部的温度,从而影响测量准确度。仅仅几毫安的电流,这种自加热效应就会产生温度误差(这些误差是可纠正的,但需要进一步的斟酌考量)。另外,请谨记:线绕式铂RTD或薄膜RTD的成本可能相当高,尤其当与IC传感器的成本进行比较时。

  热敏电阻器是另一种类型的电阻式传感器。有多种多样可用的热敏电阻器,从物美价廉的产品到高精度产品,不一而足。低成本、低精度的热敏电阻器可执行简单的测量或阈值检测功能——这类电阻器需多个组件(如比较器、参考和分立式电阻器),但非常便宜,并具有非线性的电阻-温度属性,如图2所示。如果您需要测量宽范围的温度,您将需进行大量的线性化处理工作。对几个温度点进行校准可能是必要的。为实现更高的精度,可用更昂贵且公差更紧的热敏电阻阵列来帮助解决这种非线性难题,但这种阵列通常比单个热敏电阻器灵敏度低。

  因为多跳变点系统增加了复杂度和成本,所以低成本热敏电阻器一般仅用于具有最少功能要求的应用,包括烤面包器、咖啡机、电冰箱和吹风机。此外,热敏电阻器还会遭受自加热问题的困扰(通常在较高温度下,此时它们的电阻较低)。和RTD的情况一样,尚未发现不能在低电源电压下使用热敏电阻器的根本原因——但请记住,满量程输出越低,它根据模数转换器(ADC)特性直接转化成的系统灵敏度越低。小功率应用还需要提高电路复杂度,以便能对噪声引起的误差非常敏感。热敏电阻器可在-100°C至+500°C的温度范围内运行,虽然大多数热敏电阻器的额定最高工作温度范围是+100°C至+150°C。

  热电偶包括由不同材料制成的两根电线的接点。例如,J型热电偶是由铁和康铜制成的。如图3所示,接点1位于待测量的温度处,而接点2和接点3则被置于用LM35模拟温度传感器测定的不同温度处。输出电压与这两个温度值的差大致成比例。

  因为热电偶的灵敏度相当低(在每摄氏度几十微伏的量级上),所以您将需要低偏移放大器来产生可用的输出电压。在热电偶的工作范围内,温度至电压传递函数中的非线性往往需要补偿电路或查找表,正如RTD和热电偶一样。然而,尽管有这些缺点,热电偶仍非常流行,尤其适用于烤箱、水加热器、窑炉、测试设备和其它工业处理——原因是热电偶的热质量很低且工作温度范围(工作温度可扩展至2300℃以上)很宽泛。

  IC传感器可在-55°C至+150°C的温度范围内工作——精选的几种IC传感器工作温度可高达+200°C。有各种类型的集成式IC传感器,不过四种最常见的集成式IC传感器当属模拟输出器件、数字接口器件、远程温度传感器以及那些具有温控器功能的集成式IC传感器(温度开关)。模拟输出器件(一般是电压输出,但有些也具有电流输出)在其需要ADC来对输出信号进行数字化处理时最像无源解决方案。数字接口器件最常使用两线C或PMBus),并具有内置的ADC。

  二极管温度——它们最常被置于高度集成的数字IC(例如,处理器或现场可编程门阵列【FPGA】)中。当达到温度阈值时,温控器可提供简单的警报。

  电路板设计人员将根据最终产品要求来使用最合适的解决方案。表1展示了每种温度传感器的相对优势/劣势。

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