挑选温度传感产品或许看似小事一桩,但因为可用的产品多种多样,因而这项使命或许令人颇感害怕。在这篇文章中,笔者将介绍四种类型的温度传感器(电阻式温度检测器 (RTD)、热电偶、热敏电阻器以及具有数字和模仿接口的集成电路 (IC) 传感器)并评论每种传感器的长处与缺陷。
从体系级的立足点来看,温度传感器是否合适您的运用将取决于所需的温度规模、准确度、线性度、处理方案本钱、功用、功耗、处理方案尺度、安装法(外表贴装法与通孔插装法以及电路板外安装法)还有必要支撑电路的易规划程度。
RTD
当一边丈量RTD的电阻一边改动它的温度时,呼应几乎是线性的,体现得像一个电阻器。如图1所示,该RTD的电阻曲线并非彻底呈线性,而是有几度的差错(示出了一条用作参阅的直线)—— 但却是高度可猜测并可复验的。为了对这种细微的非线性进行补偿,大多数规划人员都会对测得的电阻值进行数字化处理,并运用微控制器内的查找表以便运用校对因子。这种宽温度规模(大约-250℃至+750℃)内的可复验性和稳定性使RTD在高精度运用(包含在管道和大容器内丈量液体或气体的温度)中极为有用。
图1:RTD的电阻与温度
用来处理RTD模仿信号的电路的杂乱度基本上依据运用而改变。放大器和模数转换器(ADC)等组件(这些组件会发生它们自己的差错)是不可或缺的。只有当丈量必要时才给传感器供电 —— 通过该办法您也可完成低功耗运转,但这会使该电路杂乱得多。并且,使传感器通电所需的功率还会进步其内部的温度,然后影响丈量准确度。只是几毫安的电流,这种自加热效应就会发生温度差错(这些差错是可纠正的,但需求进一步的酌量考量)。别的,请谨记:线绕式铂RTD或薄膜RTD的本钱或许适当高,特别当与IC传感器的本钱进行比较时。
热敏电阻器
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,不胜枚举。低本钱、低精度的热敏电阻器可执行简略的丈量或阈值检测功用 —— 这类电阻器需多个组件(如比较器、参阅和分立式电阻器),但十分廉价,并具有非线性的电阻-温度特点,如图2所示。如果您需求丈量宽规模的温度,您将需进行很多的线性化处理作业。对几个温度点进行校准或许是必要的。为完成更高的精度,可用更贵重且公役更紧的热敏电阻阵列来协助处理这种非线性难题,但这种阵列一般比单个热敏电阻器灵敏度低。
图2:热敏电阻器的电阻与温度
因为多跳变点体系增加了杂乱度和本钱,所以低本钱热敏电阻器一般仅用于具有最少功用要求的运用,包含烤面包器、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(一般在较高温度下,此刻它们的电阻较低)。和RTD的状况相同,没有发现不能在低电源电压下运用热敏电阻器的根本原因 —— 但请记住,满量程输出越低,它依据模数转换器(ADC)特性直接转化成的体系灵敏度越低。小功率运用还需求进步电路杂乱度,以便能对噪声引起的差错十分灵敏。热敏电阻器可在-100°C至+500°C的温度规模内运转,虽然大多数热敏电阻器的额外最高作业温度规模是+100°C至+150°C。
热电偶
热电偶包含由不同资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坐落待丈量的温度处,而接点2和接点3则被置于用LM35模仿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份额。
图3:将LM35用于热电偶冷接点补偿
因为热电偶的灵敏度适当低(在每摄氏度几十微伏的量级上),所以您将需求低偏移放大器来发生可用的输出电压。在热电偶的作业规模内,温度至电压传递函数中的非线性往往需求补偿电路或查找表,正如RTD和热电偶相同。但是,虽然有这些缺陷,热电偶仍十分盛行,特别适用于烤箱、水加热器、窑炉、测验设备和其它工业处理 —— 原因是热电偶的热质量很低且作业温度规模(作业温度可扩展至2300℃以上)很广泛。
IC传感器
IC传感器可在-55°C至+150°C的温度规模内作业 —— 精选的几种IC传感器作业温度可高达+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传感器当属模仿输出器材、数字接口器材、长途温度传感器以及那些具有温控器功用的集成式IC传感器(温度开关)。模仿输出器材(一般是电压输出,但有些也具有电流输出)在其需求ADC来对输出信号进行数字化处理时最像无源处理方案。数字接口器材最常运用两线接口(I2C或PMBus),并具有内置的ADC。
除了也包含一个部分温度传感器外,长途温度传感器还具有一路或多路输入以便监测长途二极管温度 —— 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。当到达温度阈值时,温控器可提供简略的警报。
运用IC传感器有许多优点,包含:功耗低;可提供小型封装产品(有些尺度小到0.8mm×0.8mm);还可在某些运用中完成低器材本钱。此外,因为IC传感器在出产测验进程中都通过校准,因而没有必要进一步校准。它们一般用于健身盯梢运用、可佩带式产品、核算体系、数据记录器和轿车运用。
经验丰富的电路板规划人员将依据终究产品要求来运用最合适的处理方案。表1展现了每种温度传感器的相对优势/下风。
表1:RTD、热敏电阻器、热电偶和IC传感器的相对优势与下风