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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(jìn)行可靠的溫度測(cè)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(diǎn)有助于在測(cè)量前做出正確的選擇。

熱電偶，熱敏電阻（ NTC/ PTC ），電阻溫度檢測(cè)器（ RTD ）和 芯片型溫度傳感器是測(cè)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(cè)量的方式響應(yīng)溫度。這些自供電元件無需激勵(lì)，并且可以在較寬的溫度范圍（高達(dá)2000℃）內(nèi)運(yùn)行。它們可以快速響應(yīng)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重系統(tǒng)延遲。

上述熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由兩根不同的金屬線制成。得到的輸出電壓較小（對(duì)于K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(cè)量電路之間的電線較長(zhǎng)時(shí)）可能會(huì)使信號(hào)失真。下表展示了常見的熱電偶類型及其特性。

另一個(gè)問題出在熱電偶的引腳與信號(hào)線路銅布線相接時(shí)所產(chǎn)生的冷接點(diǎn)；這會(huì)在電路中產(chǎn)生第二個(gè)熱電偶。為了補(bǔ)償冷接點(diǎn)的影響，需測(cè)量冷接點(diǎn)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(diǎn)溫度下傳感期間的電壓

以下是典型的熱電偶補(bǔ)償電路。溫度傳感器位于冷接點(diǎn)區(qū)域以進(jìn)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(gè)詞的組合。熱敏電阻分為兩大類：

什么是溫度補(bǔ)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(bǔ)償。溫度補(bǔ)償是一種旨在減少溫度波動(dòng)對(duì)溫度變化敏感元件的影響的過程。

什么是熱時(shí)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(shí)間。

這表明常數(shù)τ（秒）被定義為熱敏電阻達(dá)到其初始和最終體溫之總差的63.2%所用的時(shí)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(shí)間內(nèi)所能承受的電壓量。測(cè)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(duì)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(gè)指定環(huán)境溫度下的電阻值來計(jì)算該常數(shù)。

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

R：環(huán)境溫度為T（K）時(shí)的電阻值; R0：環(huán)境溫度為T0（K）時(shí)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(fù)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(duì)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(shí)，例如溫度補(bǔ)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(huì)隨溫度的增加發(fā)生輕微變化，直到達(dá)到“切換點(diǎn)”，之后電阻值會(huì)發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增加。PTC通常適用于具有自復(fù)位功能的保險(xiǎn)絲以及加熱器應(yīng)用。

3 RTD溫度傳感器

RTD（電阻溫度探測(cè)器）是一種傳感器，其阻值會(huì)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(gè)要求：

1. 該金屬的阻值與溫度呈線性關(guān)系；
2. 該金屬對(duì)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(shí)電阻

0℃時(shí)電阻，即0℃時(shí)RTD對(duì)應(yīng)的阻值。結(jié)合材料與0℃時(shí)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(duì)應(yīng)溫度范圍

數(shù)據(jù)來源于ADI

Pt100 ，Pt1000該怎么選？

對(duì)于RTD阻值的測(cè)量，通常的做法是，給于RTD一個(gè)恒定的電流源，然后使用ADC來檢測(cè)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(shí)ADC檢測(cè)到的電壓也會(huì)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(jì)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(cè)量溫度，單位為℃；

溫度系數(shù)越大，代表傳感器對(duì)溫度越敏感。

對(duì)于Pt材料的RTD, 要達(dá)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(shí):
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(huì)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(yuǎn)，公差變化越大。而精度是在某一溫度范圍內(nèi)可以達(dá)到。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，需要把這點(diǎn)考慮進(jìn)去。

舉例：TE 的 NB-PTCO-011

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

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

****4) RTD 接線配置

市場(chǎng)上有三種不同的RTD布線配置（二線制，三線制，四線制）。

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

5) RTD 應(yīng)用實(shí)例 - 比率測(cè)量

對(duì)于RTD, 比率配置是一種合適且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。我們使用四線制作為一個(gè)例子。

下圖紅色箭頭方向是激勵(lì)源的電流路徑，分別流經(jīng)傳感器電阻和一個(gè)精密的參考電阻。然后分別測(cè)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(lì)源不需要很精確，給予傳感器電阻和參考電阻一個(gè)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(cè)量 （圖片來源于ADI）

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

使用Σ-Δ ADC的另一個(gè)好處是，由于Σ-Δ ADC對(duì)模擬輸入進(jìn)行過采樣，對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，只需簡(jiǎn)單的單極RC濾波器即可。

國(guó)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(huì)自帶濾波器。ADI的AD7124自帶濾波器選項(xiàng)，可以針對(duì)50 Hz/60 Hz頻率濾波，但該濾波會(huì)對(duì)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