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溫度傳感器是當(dāng)今眾多產(chǎn)品應(yīng)用中最常用的技術(shù)之一，比如汽車，白電和工業(yè)類產(chǎn)品等。為了進行可靠的溫度測量，選擇合適的溫度傳感器來應(yīng)用是十分重要。了解不同類型溫度傳感器的優(yōu)缺點有助于在測量前做出正確的選擇。

熱電偶，熱敏電阻（ NTC/ PTC ），電阻溫度檢測器（ RTD ）和 芯片型溫度傳感器是測量中最常見的類型，它們的特性區(qū)別詳情見下面。

1 熱電偶

熱電偶是一種常見的無源傳感元件，能夠以可測量的方式響應(yīng)溫度。這些自供電元件無需激勵，并且可以在較寬的溫度范圍（高達2000℃）內(nèi)運行。它們可以快速響應(yīng)，幾乎不會產(chǎn)生嚴(yán)重系統(tǒng)延遲。

上述熱電偶結(jié)構(gòu)簡單，由兩根不同的金屬線制成。得到的輸出電壓較?。▽τ贙型而言，約為40 μV/℃），需要精確放大。否則外部噪聲（特別是當(dāng)熱電偶和測量電路之間的電線較長時）可能會使信號失真。下表展示了常見的熱電偶類型及其特性。

另一個問題出在熱電偶的引腳與信號線路銅布線相接時所產(chǎn)生的冷接點；這會在電路中產(chǎn)生第二個熱電偶。為了補償冷接點的影響，需測量冷接點溫度，并將該溫度所產(chǎn)生的熱電偶電壓（Vout）添加到Vout指示的值中：

• Vtc = Vout + Vcj
  其中，Vtc = 由于熱電偶傳感而產(chǎn)生的電壓
  Vcj = 在冷接點溫度下傳感期間的電壓

以下是典型的熱電偶補償電路。溫度傳感器位于冷接點區(qū)域以進行監(jiān)控，且ADC以所需的分辨率提供輸出數(shù)據(jù)。

2 熱敏電阻

熱敏電阻是一種與溫度相關(guān)的電阻——這一術(shù)語本身就是“熱”和“電阻”兩個詞的組合。熱敏電阻分為兩大類：

什么是溫度補償？

NTC熱敏電阻常用于石英晶體振蕩器之振蕩頻率的溫度補償。溫度補償是一種旨在減少溫度波動對溫度變化敏感元件的影響的過程。

什么是熱時間常數(shù)？

熱敏電阻溫度改變其溫差（從環(huán)境溫度T0（°C）到T1（°C），通常以63.2%的變化率為標(biāo)準(zhǔn)）的時間。

這表明常數(shù)τ（秒）被定義為熱敏電阻達到其初始和最終體溫之總差的63.2%所用的時間。

什么是耐壓？

耐壓用于指示在25°C的靜止空氣中及三分鐘時間內(nèi)所能承受的電壓量。測量耐壓的方法是，從0V開始逐漸增加的電壓量。

什么是 B 常數(shù)？

B常數(shù)表示熱敏電阻對溫度變化的敏感度（以電阻的變化率表示）。變化率也可以用一條線的傾斜度來表示。傾斜度越大，敏感度越高。

根據(jù)以下方程，可使用在兩個指定環(huán)境溫度下的電阻值來計算該常數(shù)。

B=ln (R/R0) / (1/T-1/T0)

R：環(huán)境溫度為T（K）時的電阻值; R0：環(huán)境溫度為T0（K）時的電阻值

都是熱敏電阻器, PTC 和 NTC 的區(qū)別你知道嗎?

熱敏電阻其主要功能是隨著溫度的變化而表現(xiàn)出電阻的變化。

NTC (負溫度系數(shù)) 熱敏電阻器

• 無功耗電阻
• 其電阻隨溫度上升而減少
  

NTC電阻對溫度變化的響應(yīng)通常是線性的。當(dāng)需要連續(xù)線性改變電阻與溫度時，例如溫度補償，溫度控制系統(tǒng)和浪涌電流限制，選擇NTC熱敏電阻是比較合適的。

PTC (正溫度系數(shù)) 熱敏電阻器

• 無功耗電阻
• 其電阻隨溫度上升而增加
  

PTC電阻會隨溫度的增加發(fā)生輕微變化，直到達到“切換點”，之后電阻值會發(fā)生幾個數(shù)量級的增加。PTC通常適用于具有自復(fù)位功能的保險絲以及加熱器應(yīng)用。

3 RTD溫度傳感器

RTD（電阻溫度探測器）是一種傳感器，其阻值會隨著溫度的升高而變大，隨著溫度的降低而減小。

RTD 溫度傳感器應(yīng)用，要留意哪些？

****1) 材料

不是所有的金屬都適合做成RTD，符合這一特性的材料需要滿足如下幾個要求：

1. 該金屬的阻值與溫度呈線性關(guān)系；
2. 該金屬對溫度的變化比較敏感，即單位溫度變化引起的阻值變化（溫度系數(shù)）比較大；
3. 該金屬能夠抵抗溫度變化造成的疲勞，具有好的耐久性；

滿足這些要求的金屬材料不多，常見的RTD材料有：鉑（Pt）、鎳（Ni）和銅（Cu）

圖 1 不同金屬，阻值與溫度關(guān)系，圖片來源于TE （ TE RTD）

****2) 阻值與溫度的關(guān)系

0℃時電阻

0℃時電阻，即0℃時RTD對應(yīng)的阻值。結(jié)合材料與0℃時電阻，可分為Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。比如：Pt100，表示該傳感器在0℃下的電阻值為100Ω；而Pt1000，則表示該傳感器在0℃下的電阻值為1000Ω 。

不同類型RTD對應(yīng)溫度范圍

數(shù)據(jù)來源于ADI

Pt100 ，Pt1000該怎么選？

對于RTD阻值的測量，通常的做法是，給于RTD一個恒定的電流源，然后使用ADC來檢測兩端電壓，從而得出該RTD阻值。也就是說，相同電流作用下，比起使用Pt100，使用Pt1000靈敏度將可以提高十倍，但同時ADC檢測到的電壓也會提高10倍。具體怎么選，我們還需要結(jié)合ADC等其他器件綜合考量。

溫度系數(shù)α

RTD熱電阻在不同溫度下的阻值可以用公式：R= R0 (1+At)來近似計算。

1）R0表示RTD在0℃下的電阻值；

2）A 稱為溫度系數(shù)，表示單位溫度下電阻的變化值；

3）t表示測量溫度，單位為℃；

溫度系數(shù)越大，代表傳感器對溫度越敏感。

對于Pt材料的RTD, 要達到更精確的電阻溫度擬合，可以參考DIN EN 60751公式

當(dāng)R0 = 100 Ω時:
A = 3.9083 × 10?3

B = ?5.775 × 10?7

C = ?4.183 × 10?12

****3) 工作溫度范圍與精度

一般原廠出廠，都會有校準(zhǔn)溫度（通常是0℃），隨著溫度的變化，離校準(zhǔn)溫度越遠，公差變化越大。而精度是在某一溫度范圍內(nèi)可以達到。我們在設(shè)計時，需要把這點考慮進去。

舉例：TE 的 NB-PTCO-011

數(shù)據(jù)手冊中給出，0.15%是在溫度范圍 -30℃到300℃內(nèi)實現(xiàn)

圖 2 精度對應(yīng)溫度范圍 （來源于TE 數(shù)據(jù)手冊 ）

****4) RTD 接線配置

市場上有三種不同的RTD布線配置（二線制，三線制，四線制）。

對于三線制和四線制，可以有效消除引線上電阻對于測量的影響。原理是把測量回路和供電回路分開，測量回路中引線電流的小到忽略不計，從而有效消除引線上電阻對于測量的影響。

5) RTD 應(yīng)用實例 - 比率測量

對于RTD, 比率配置是一種合適且經(jīng)濟高效的解決方案。我們使用四線制作為一個例子。

下圖紅色箭頭方向是激勵源的電流路徑，分別流經(jīng)傳感器電阻和一個精密的參考電阻。然后分別測量傳感器電阻和參考電阻兩端的電壓。這么做的好處是，激勵源不需要很精確，給予傳感器電阻和參考電阻一個相同的電流，然后比較這兩電阻的電壓值。

圖 3 四線制RTD,比率測量 （圖片來源于ADI）

直接選用支持比率測量的ADC，比如ADI AD7124, Σ-Δ ADC (Sigma-Delta)，帶有可編程增益放大器，激勵源，可以大大簡化RTD設(shè)計。

使用Σ-Δ ADC的另一個好處是，由于Σ-Δ ADC對模擬輸入進行過采樣，對于濾波器的設(shè)計大大簡化，只需簡單的單極RC濾波器即可。

國家電網(wǎng)也可能以50 Hz/60 Hz及其倍數(shù)的噪聲產(chǎn)生干擾。一些ADC會自帶濾波器。ADI的AD7124自帶濾波器選項，可以針對50 Hz/60 Hz頻率濾波，但該濾波會對ADC輸出數(shù)據(jù)速度產(chǎn)生影響。

來源：Digikey
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審核編輯 黃宇