温度传感器（热敏电阻，热电偶）的应用和原理

文章出处：yaxun88 人气：发表时间：2019-11-27 15:57

温度测量应用非常广泛，不仅生产过程需要温度控制，而且某些电子产品也需要测量自己的温度。例如，如果计算机要监视CPU的温度，则电动机控制器应知道电源驱动器IC的温度等。以下介绍了几种常用的温度传感器产品。
温度是在实际应用中经常测试的参数。从钢铁制造到半导体生产，许多过程都依赖于温度，温度传感器产品是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文提供了不同温度传感器产品的简要概述，并介绍了电路系统的接口。

热敏电阻
用于测量温度的传感器产品有很多类型，热敏电阻就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数（NTC），这意味着其电阻随温度下降而增加。在所有无源温度传感器产品中，热敏电阻的灵敏度（即，每个温度变化程度的电阻变化）最高，但是热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。

表1是典型的NTC热敏电阻性能参数。

这些数据是在Vishay-Dale热敏电阻上测量的，但它也代表了NTC热敏电阻的整体状况。电阻值以比率（R / R25）的形式给出，代表当前温度下的电阻与25°C下的电阻之比。通常，相同系列的热敏电阻具有相似的特性和相同的电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例。 10°C时的电阻为10KΩ。电阻在0°C时为28.1KΩ。 4.0°C时的电阻为4.086KΩ;同样，在25°C下的5kΩ热敏电阻在0°C下的电阻为14.050KΩ。

图1显示了热敏电阻的温度曲线。可以看出，电阻/温度曲线是非线性的。尽管此处的热敏电阻数据以10°C为增量，但某些热敏电阻的增量可以为5°C甚至1°C。如果您想知道两点之间某个温度下的电阻值，可以使用此曲线进行估算，也可以直接计算电阻值。计算公式如下：
电阻值计算公式
这里的T表示开尔文的绝对温度，A，B，C和D是常数，根据热敏电阻的特性而变化。这些参数由热敏电阻的制造商提供。
热敏电阻通常具有一个误差范围，该误差范围用于指定样本之间的一致性。误差值通常在1％到10％之间，具体取决于所使用的材料。一些热敏电阻被设计为在无法现场调节的应用中可以互换。例如，仪器，用户或现场工程师只能更换热敏电阻，而不能进行校准。这种热敏电阻比普通热敏电阻高得多，而且价格昂贵得多。
图2是使用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压上拉至参考电压，该电压通常与ADC的参考电压一致，因此，如果ADC的参考电压为5V，则Vref也将为5V。热敏电阻和电阻器串联连接以产生分压，并且电阻变化导致节点处的电压也变化。电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。
热敏电阻测量温度典型电路

自热问题
由于热敏电阻是电阻器，因此电流流过时会产生一定量的热量。因此，电路设计人员应确保上拉电阻足够大，以防止热敏电阻自发热，否则系统将测量由热敏电阻产生的热量而不是环境温度。

热敏电阻消耗的能量对温度的影响用耗散常数表示，该耗散常数是将热敏电阻温度提高到比环境温度高1°C所需的毫瓦数。耗散常数因热敏电阻封装，引脚规格，封装材料和其他因素而异。

系统允许的自发热和限流电阻的数量取决于测量精度。测量精度为±5°C的测量系统大于测量系统可以承受的热敏电阻的自发热，精度为±1°C。

应该注意的是，必须计算上拉电阻的电阻，以限制整个测量温度范围内的自热功耗。当给出电阻值时，由于热敏电阻的电阻值的变化，耗散功率在不同温度下也会变化。
有时有必要校准热敏电阻的输入以获得适当的温度分辨率。图3是将10至40°C的温度范围扩展至ADC整个0至5 V输入范围的电路。

运算放大器的输出公式如下：
一旦热敏电阻的输入被校准，实际的温度电阻就可以用图形表示。由于热敏电阻是非线性的，因此需要以图形方式表示。系统需要知道每个温度下ADC的值。表格的精度取决于特定的应用，以1°C或5°C的特定增量确定。

累积误差
使用热敏电阻测量温度时，请选择传感器和输入电路中的其他组件以符合所需的精度。在某些情况下，需要使用精度为1％的电阻，有些可能需要使用精度为0.1％的电阻。在任何情况下，都可以使用表格来计算所有组件（包括电阻器，参考电压和热敏电阻本身）的累积误差对测量精度的影响。
如果要高精度而又想减少开支，则需要在系统构建后进行校准。由于必须在现场更换电路板和热敏电阻，因此通常不建议这样做。如果无法在现场更换设备或工程师采用其他方法来监控温度，则该软件也可以用于创建温度相关的ADC变化表。在这种情况下，实际温度值需要使用其他工具进行测量，并且软件可以创建相应的表。对于必须现场更换热敏电阻的系统，可以在工厂对要更换的组件（传感器或整个模拟前端）进行校准，并将校准结果保存在磁盘或其他存储介质上。当然，在更换组件之后，软件必须能够知道已校准数据的使用。
累积误差对测量精度的影响
通常，热敏电阻是一种低成本的温度测量方法，并且易于使用。下面我们介绍电阻温度检测器和热电偶温度传感器。

电阻温度检测器
电阻温度检测器（RTD）实际上是一种特殊的导线，其电阻会随温度而变化。通常，RTD材料包括铜，铂，镍和镍/铁合金。 RTD元件可以是通过电镀或溅射涂覆在陶瓷基板上的导线或薄膜。
RTD的电阻值为标称值0°C。 0°C100Ω铂RTD电阻通常在1°C为100.39Ω，在50°C为119.4Ω。图4是RTD电阻/温度曲线与热敏电阻/温度曲线的比较。 RTD的误差小于热敏电阻的误差。对于铂，误差通常为0.01％，镍通常为0.5％。除了很小的误差和电阻外，RTD和热敏电阻的接口电路基本相同。

热电偶
热电偶由两种不同的金属组成，加热时会产生很小的电压。电压的大小取决于构成热电偶的两种金属材料。铁-常数（J型），铜-常数（T型）和铬铝（K型）热电偶是最常用的三种。
热电偶产生很小的电压，通常只有几毫伏。当温度变化1°C时，K型热电偶温度的电压变化仅约为40μV，因此测量系统应能够测量4μV的电压变化达到0.1°C的测量精度。
由于两种不同类型的金属结合在一起会产生电势差，因此热电偶与测量系统的连接也会产生电压。通常将连接点放在绝缘块上以减小这种影响，以使两个节点处于同一温度，从而减小误差。有时还测量绝缘块的温度以补偿温度的影响（图5）。
热电偶测量补偿温度

测量热电偶电压所需的增益通常为100到300，并且热电偶吸收的噪声会放大相同的系数。测量放大器通常用于放大信号，因为它可以消除热电偶线的共模噪声。市场上有热电偶信号调理器，例如ADI公司的AD594 / 595，可简化硬件接口。

固态热传感器
最简单的半导体温度传感器是PN结，例如二极管或晶体管基极-发射极之间的PN结。如果恒定电流流过正向偏置的硅PN结，则温度每变化1°C，正向压降就会降低1.8 mV。许多IC使用半导体的这种特性来测量温度，包括Maxim的MAX1617，该国的LM335和LM74。半导体传感器具有多种接口，从电压输出到串行SPI /微线接口。
温度传感器的类型很多，通过正确选择软件和硬件，您可以找到适合您的应用的传感器。

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