如何为应用选择最佳类型的温度传感器

确定温度是工程师需要设计的最常见的事情之一。也许我们没有做我们应该做的那么多。在嵌入式设计中，我们（几乎总是）有一个可以轻松收集温度数据的微控制器。那么，为什么不测量同一个 MCU 的温度来帮助提高设计的可靠性呢？如果您有一个电源转换器，那么了解该温度会很有用——控制器 IC 或开关电感器，或两者兼而有之。如果您的设计有电机和轴承等机械钻头，我们可以通过监测温度在故障发生之前发现它。这也可以为您的设计提供额外的安全性。

当然，有时工程师需要精确测量温度作为过程控制系统的一部分，有时他或她需要在扩展范围内进行测量。我们也会考虑这些情况。

实际应用的温度传感器基本上有四种类型：硅、热电偶、热敏电阻和 RTD。因为它们通常非常可靠，工程师可以依靠温度传感器来监视他们的产品——使它们成为模拟的英雄。

热电偶传感器覆盖范围广泛

热电偶有多种类型，其中 J、K 和 T 型最受欢迎。每种类型都有不同的两种金属配对。它们提供非常广泛的温度范围——低至 -600°C 至高达 2300°C。标准精度约为±2°C，但有些甚至达到±0.5°C。它们并不便宜。价格差异很大，但带有保护管的 ¼” 直径探头的起价可低至 8 至 9 美元。它们可能是最不稳定和可重复的传感器类型，并且可能会受到电噪声的困扰。

好消息是 IC 可用于 A/D 转换和线性化所有类型热电偶的输出。Maxim 的MAX31855就是这种器件的一个例子，它可用于七种不同的 TC 类型，并集成了冷端补偿。转换器将温度解析为 0.25°C。它使用 K 型热电偶在 -200°C 至 +700°C 的温度范围内提供 ±2°C 的精度，并具有减少热电偶线引入的噪声误差的电路。数据输出为带符号的 14 位、SPI 兼容、只读。该 IC 采用 8 引脚 SO 封装，工作温度范围为 -40° 至 125°C。电源电流为 900µA，典型值。

硅传感器：易于使用且准确

由于我不明白的原因，有成千上万个可用的硅传感器。许多制造商中的每一个都有数百个。您可以在 100 片中以低至 0.20 美元的价格购买一个。但是，您可能想花更多的钱来购买更准确、更通用的设备。

我选择 Maxim DS18B20U作为示例，它是一款出色的全能器件，在 -10°C 至 85°C 范围内具有 ±0.5°C 的精度，并且1-Wire® 数字接口。芯片可以直接从数据线获取电力（“寄生电力”）。它涵盖了一个完整的 -55°C 至 125°C 范围，并在 3.0V 至 5.0V 数据线范围内工作。待机电流为 1µA。

图 1：DS18B20U 框图

每个 DS18B20U 都有一个唯一的 64 位串行代码，允许多个器件在同一 1-Wire 总线上运行。该芯片是可编程的，这很重要。首先，分辨率从 9 位到 12 位可选，转换时间从 94 毫秒到 750 毫秒不等。其次，报警功能具有非易失性用户可编程上下触发点。该 IC 采用 8 引脚 SO （150 mils）、8 引脚 µSOP 和 3 引脚 TO-92 封装。有几个参考原理图可用。

Maxim还为温度计应用提供精度为±0.1°C（最大值）的MAX30205临床级人体温度传感器。

热敏电阻：低成本和快速响应时间

热敏电阻具有一些诱人的品质。最常见的热敏电阻具有负温度系数 （NTC）。热敏电阻的电阻与温度曲线近似为指数，需要线性化，但这可以在微控制器中完成。IC 可用于传感和 A/D 转换。

热敏电阻的特性包括 -55° 至 125°C 的适中温度范围（尽管有些能够承受更高的温度）、中低成本（取决于精度）和快速响应时间。热敏电阻采用探头、标准 0402 和其他 SMT 封装，以及带裸引线的磁珠。您可以获得在其范围内具有 1% 容差的热敏电阻，电阻值从 1Ω 到 1GΩ。数量为 10，000 件时，价格低至每件 2 美分（数量 1 为 0.10 美元）。不过要小心，因为一些高性能单元每个要 100 美元。需要注意不要通过测量加热小珠，但可用的 IC 可以解决这个问题。

MAX6682热敏电阻数字转换器就是一个很好的例子。它根据热敏电阻电阻产生一个 10 位 +sign 输出代码。它不对传递函数进行线性化，但在有限范围内使用合适的外部固定电阻器可以提供相当准确的可重复测量，无需线性化。该 IC 具有 3 线 SPI 兼容输出接口。该芯片降低了平均热敏电阻电流，最大限度地减少了自热。在转换之间，电源电流降至 21µA（典型值）。它使用 25°C 时标称电阻为 10kΩ 的热敏电阻，采用 8 引脚 µMAX 封装，额定温度范围为 -55° 至 125°C。另外还有MAX6691四通道热敏电阻温度-脉宽转换器。

RTD 传感器在大温度范围内工作

RTD 比其他传感器稍大一些，大约为 0.25 平方英寸，但它们可以在 -200° 至 850°C 的大范围内工作。最精确的 RTD 使用铂制成，但成本较低的 RTD 可以用镍制成。这些不是那么稳定或可重复的。铂 RTD 提供相当线性的输出，在 -200 至 600°C 范围内高度准确（±0.1° 至 ±1°C）。他们的响应时间确实很慢。精度为 ±1.5 度的镍设备的起价约为 1.50 美元/100 美元。精度为 ±0.3°C 的铂金单元每 1，000 件的成本约为 1.70 美元。

图 2：MAX31865 RTD 数字转换器框图

MAX31865 RTD-数字转换器芯片易于使用，具有15位delta-sigma A/D转换器。由于 RTD 的非线性，该 IC 产生 0.031°C 的输出变化，并且在最大 0.5°C（满量程的 0.05%）的总体工作条件下的总精度。它提供 21ms（最大值）的转换时间和 ±45V 输入保护，并与 2 线、3 线和 4 线传感器连接兼容。该 IC 使用 SPI 兼容输出，采用 20 引脚 TQFN 和 SSOP 封装。

选一个

事实上，所有这四种类型都做得很好并且具有成本效益 - 或者如果你小心的话，至少可以。除了用于极高温度的热电偶外，如果我有一个 PC 板安装应用程序，我会采用 8 引脚 µSOP SMT 封装的硅传感器。如果我要做点测量，那将是一个珠状热敏电阻（小心那些精致的引线）。正是转换 IC 使设计工作变得非常容易。

审核编辑：郭婷