作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

傳感器技術(shù)種類繁多且行業(yè)需求差異化顯著，為特定應(yīng)用選擇最佳溫度傳感器會(huì)極具挑戰(zhàn)性。然而，許多應(yīng)用都要求精確讀數(shù)，因此必須評(píng)估現(xiàn)有的各種產(chǎn)品。

進(jìn)行溫度傳感器選型時(shí)需要平衡多種因素以滿足設(shè)計(jì)要求：準(zhǔn)確度、響應(yīng)時(shí)間、通信協(xié)議、環(huán)境耐受性、功耗、成本及系統(tǒng)集成。傳感器通常分為四類模擬電壓輸出，以及一類數(shù)字信號(hào)輸出：

• 熱電偶 ：溫度范圍廣，經(jīng)久耐用，可測(cè)量從低溫到 +1,800°C 以上的高溫。熱電偶堅(jiān)固耐用，可抵御惡劣環(huán)境，并能對(duì)快速溫度變化迅速做出反應(yīng)，但其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性不如其他傳感器，而且需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。熱電偶非常適用于鋼鐵和玻璃生產(chǎn)等重工業(yè)，以及高熱的家用和商用電器。
• 電阻式溫度檢測(cè)器 (RTD) ：具有高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性，非常適合精確度要求極高的工業(yè)自動(dòng)化和過程控制領(lǐng)域。RTD 通常用于食品和制藥行業(yè)，在釀造、消毒和炸制等過程中實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的溫度控制。RTD 可為 HVAC 系統(tǒng)以及培養(yǎng)箱、分析儀器等實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療設(shè)備提供準(zhǔn)確的溫度測(cè)量。與熱電偶等替代品相比，RTD 的成本可能比較高，而且由于依賴于細(xì)線或薄膜檢測(cè)元件而比較脆弱。RTD 通常與精密測(cè)量電路組合使用，從而增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。
• 熱敏電阻 ：由半導(dǎo)體制成，電阻值隨溫度變化的電阻器，靈敏度高。溫度變化小，電阻變化大，因此能檢測(cè)到溫度的微小波動(dòng)且分辨率高。熱敏電阻體積小、響應(yīng)速度快、成本低廉，涵蓋從微珠到較大型探頭的各種規(guī)格。熱敏電阻適用于溫度范圍有限的應(yīng)用，通常在 -50°C 至 150°C 之間。熱敏電阻用途廣泛，可用于與環(huán)境或人體溫度相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類電子產(chǎn)品，以及汽車應(yīng)用、電池管理系統(tǒng)、消費(fèi)類電器、火災(zāi)和煙霧探測(cè)等領(lǐng)域。不過，熱敏電阻的非線性電阻曲線需要轉(zhuǎn)換公式或查表法將電阻值轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確的溫度，而且與 RTD 相比，熱敏電阻可能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生漂移。
• 二極管溫度傳感器 ：響應(yīng)速度快，體積比其他三種模擬傳感器小，可方便地連接微控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和專用集成電路 (ASIC)。二極管溫度傳感器性價(jià)比高，溫度范圍限定在 -55°C 至 +150°C 之間，可廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)系統(tǒng)、汽車等眾多領(lǐng)域。這種傳感器的準(zhǔn)確度低于 RTD，易受系統(tǒng)噪聲影響，而且通常需要校準(zhǔn)以確保不同設(shè)備之間的讀數(shù)一致。
• 數(shù)字溫度傳感器 ：一種用于測(cè)量溫度并直接提供數(shù)字輸出集成電路 (IC)，通常通過如 SMBus、I2C、SPI 或 1-Wire 等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字傳感器無需像模擬傳感器那樣依賴外部信號(hào)調(diào)理、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

選型原則

選擇合適的溫度傳感器需要在準(zhǔn)確度、響應(yīng)時(shí)間、耐用性和成本之間進(jìn)行權(quán)衡，也可按照特定的行業(yè)要求，選擇合適的組件。

在溫度傳感器選型過程中，應(yīng)用所處的工作環(huán)境具有至關(guān)重要的作用。惡劣環(huán)境下，需要熱電偶或涂層 RTD 等堅(jiān)固耐用的傳感器，而熱敏電阻或半導(dǎo)體傳感器則更適合受控環(huán)境。成本和能否擴(kuò)展也是批量生產(chǎn)需要考慮的因素——熱敏電阻經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而 RTD 和高端熱電偶則具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)人員對(duì)準(zhǔn)確度與實(shí)用性的取舍同樣是選型的關(guān)鍵。RTD 的精度高，但價(jià)格昂貴；熱電偶用途很廣泛，但準(zhǔn)確度較低。響應(yīng)時(shí)間和位置同樣是關(guān)鍵——熱電偶和熱敏電阻等輕小型傳感器的響應(yīng)速度都很快，但安裝位置可能會(huì)影響性能。

傳感器及其相關(guān)電路的成本會(huì)極大地影響選型，在消費(fèi)類產(chǎn)品或大批量生產(chǎn)中尤為突出。不同類型傳感器的成本差異很大。模擬傳感器需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，而數(shù)字傳感器可簡(jiǎn)化集成。減少模擬電路和校準(zhǔn)工作可以最大限度地降低總成本，即使選擇成本略高的數(shù)字傳感器也是合理的。

數(shù)字傳感器及其特性

數(shù)字傳感器在內(nèi)部轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)，并以數(shù)字流形式傳輸數(shù)據(jù)，通常具有更好的抗噪能力，并能進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。[Analog Devices, Inc.] (ADI) 提供廣泛的模擬和數(shù)字溫度傳感器產(chǎn)品組合，設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)評(píng)估哪種產(chǎn)品最符合其應(yīng)用需求。下面簡(jiǎn)要介紹一些數(shù)字傳感器。

如果需要精準(zhǔn)的溫度讀數(shù)，準(zhǔn)確性可能是最重要的選型因素。ADI 的 [MAX31888] 數(shù)字傳感器在 -20°C 至 +105°C 范圍內(nèi)具有 ±0.25°C 的精確度，可通過 1-Wire 總線與微控制器通信，從而實(shí)現(xiàn)高精密度溫度監(jiān)控電路（圖 1）。每個(gè) MAX31888 都有自己獨(dú)一無二的 64 位注冊(cè)編號(hào)，用作多點(diǎn)單線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地址。

圖 1：使用 MAX31888 溫度傳感器的典型應(yīng)用電路。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

MAX31888 僅使用一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，可直接從該數(shù)據(jù)線獲得寄生電源，而無需外部電源。使用外部電源時(shí)，其電壓范圍為 1.7 V 至 3.6 V，且測(cè)量期間的電流消耗僅為 68 μA。

在設(shè)計(jì)小型電池供電設(shè)備時(shí)，功耗和尺寸應(yīng)該是最令人擔(dān)憂的問題。針對(duì)可穿戴設(shè)備等應(yīng)用，ADI 的 MAX31875 器件（如 [MAX31875R0TZS+T] （圖 2））以 0.84 mm x 0.84 mm x 0.35 mm 超小封裝實(shí)現(xiàn)了低供電電流和 ±1°C 溫度測(cè)量準(zhǔn)確度。

圖 2：MAX31875R0TZS+T 的外形。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

MAX31875 系列采用兼容 I^2^C/SMBus 的串行接口，可使用標(biāo)準(zhǔn)的寫字節(jié)、讀字節(jié)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)命令來讀取溫度數(shù)據(jù)，并在典型電路中配置傳感器參數(shù)（圖 3）。該系列使用 <10 μA 的平均電源電流，可測(cè)量范圍為 -50°C 至 +150°C。

圖 3：使用 MAX31875 數(shù)字溫度傳感器的應(yīng)用電路。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

ADI 還提供用于精密測(cè)量熱二極管溫度并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式的集成電路，以取代傳統(tǒng)的熱敏電阻或熱電偶。這些遠(yuǎn)程二極管傳感器可測(cè)量外部 PN 結(jié)的溫度，如 CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 中內(nèi)置的熱二極管。[MAX6654MEE+T] 可測(cè)量一個(gè)熱二極管。對(duì)于 2、3、4 和 8 通道應(yīng)用，還可選擇其他傳感器。

通過適當(dāng)?shù)膬?nèi)部和外部濾波，遠(yuǎn)程二極管傳感器可廣泛應(yīng)用于電噪聲環(huán)境。[MAX31732ATG+T] 是一款 4 通道溫度傳感器，可監(jiān)測(cè)自身溫度并同步監(jiān)測(cè)多達(dá)四個(gè)外部二極管連接晶體管的溫度（圖 4）。

圖 4：ADI 的 MAX31732 可監(jiān)控多達(dá)四個(gè)外部二極管連接晶體管的溫度，如該應(yīng)用電路所示。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

MAX31732 傳感器無需任何特殊軟件或固件即可為其設(shè)置溫度閾值。雙線串行接口可用于監(jiān)控溫度和修改溫度閾值。

總結(jié)

找到最佳的溫度傳感器可確保應(yīng)用具有更好的性能、可靠性和成本效益。選型時(shí)會(huì)受到一系列因素的影響，包括特定行業(yè)的要求和標(biāo)準(zhǔn)，以及成本與性能之間的權(quán)衡。ADI 的數(shù)字溫度傳感器產(chǎn)品組合可提供滿足各種應(yīng)用需求的解決方案。