我們每天都使用溫度傳感器來控制建筑物的溫度、調節水溫以及控制冰箱。溫度傳感器在許多其他行業應用中也至關重要,例如消費、醫療和工業電子產品。
每個行業的應用可能有不同的溫度傳感需求。差異性包括測量對象(空氣、質量或液體)、測量位置(內部或外部)以及測量的溫度范圍、測量方式分接觸方式和非接觸方式。現代電子產品中最常用的溫度傳感器有四種:熱電偶、RTD(電阻溫度檢測器)、熱敏電阻和基于半導體的集成電路 (IC)。按照響應性和準確度從高到低分別是:1.負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻,2.電阻溫度檢測器 (RTD),3.熱電偶,4.基于半導體的傳感器
本文重點介紹這四種主要類型的溫度傳感器、每種類型的注意事項、優點和缺點。
熱敏電阻
熱敏電阻類似于 RTD,因為溫度變化會導致可測量的電阻變化。熱敏電阻通常由聚合物或陶瓷材料制成。在大多數情況下,熱敏電阻更便宜,但也不如 RTD 準確。大多數熱敏電阻有兩線配置。熱敏電阻具有特定類型的電阻器,它比其他溫度傳感器改變其物理電阻更大。
NTC(負溫度系數)熱敏電阻是溫度測量應用中最常用的熱敏電阻。NTC 熱敏電阻的電阻隨著溫度升高而降低。熱敏電阻具有非線性的溫度電阻關系。這需要進行重大修正才能正確解釋數據。使用熱敏電阻的一種常見方法(如圖所示)是熱敏電阻和固定值電阻器形成一個分壓器,其輸出由 ADC 數字化。
它們的電阻與 RTD 一樣指定,但熱敏電阻呈現非線性電阻-溫度圖。因此,它可以在工作范圍內為非常小的溫度變化提供大的電阻變化。這使其成為一種高度靈敏的儀器,是高科技和設定點應用的理想選擇。
熱敏電阻通常由陶瓷材料制成,例如覆蓋在特定玻璃表面的錳、鎳或鈷的氧化物。與其他類型相比,它們的特殊優勢是準確性、可重復性和對溫度變化的快速響應。
大多數熱敏電阻具有負溫度系數(NTC);也就是說,當溫度升高時,它們的電阻會降低。但是,其中有幾種類型具有正溫度系數 (PTC)。
NTC 熱敏電阻在低溫下提供更高的電阻。根據其 RT 表,隨著溫度的升高,電阻逐漸下降。由于每° C的電阻變化很大,微小的變化會準確反映。NTC熱敏電阻的輸出由于其指數性質而呈非線性;但是,它可以根據其應用進行線性化。玻璃封裝熱敏電阻的有效工作范圍為 -50 至 250 ° C ,標準熱敏電阻的有效工作范圍為150 ° C。
隨著溫度的變化,任何金屬的電阻也會發生變化。這種電阻差異是 RTD 溫度傳感器的基礎。RTD 是具有明確定義的電阻與溫度特性的電阻器。鉑是用于制造 RTD 的最常見和最準確的材料,當然也有鎳和銅制成的溫度傳感器。圖中所示電路是恒流源,采用參考電壓,一個放大器,一個PNP晶體管。
鉑 RTD 也稱為 PRTD。它們通常在 0°C 時具有 100 Ω 和 1000 Ω 電阻。它們分別稱為 PT100 和 PT1000。
使用鉑 RTD 是因為它們對溫度變化提供近乎線性的響應,它們穩定且準確,它們提供可重復的響應,并且它們具有較寬的溫度范圍。RTD 因其準確性和可重復性而經常用于精密應用。
RTD 元件通常具有較高的熱質量,因此對溫度變化的響應比熱電偶慢。信號調理在 RTD 中很重要。它們還需要激勵電流流過 RTD。如果知道這個電流,就可以計算出電阻。
配置包括兩線、三線和四線選項。當引線長度足夠短以至于電阻不會顯著影響測量精度時,兩線選項很有用。三線制增加了一個承載激勵電流的 RTD 探頭。這提供了一種消除導線電阻的方法。四線是最準確的,因為單獨的力和感測引線消除了線電阻的影響。MAX31865為每種配置提供專用的 RTD 信號調理電路,分辨率為 15 位,并提供加速 PT100 和 PT1000 RTD 設計的解決方案
熱電偶
熱電偶是最常用的溫度傳感器類型。它們用于工業、汽車和消費應用。熱電偶是自供電的,可以在很寬的溫度范圍內工作,并且具有快速的響應時間。
熱電偶是通過將兩條不同的金屬線連接在一起制成的。這會導致塞貝克效應。塞貝克效應是兩種不同導體的溫差在兩種物質之間產生電壓差的現象。正是這種電壓差可以測量并用于計算溫度。
有幾種類型的熱電偶由各種不同的材料制成,允許不同的溫度范圍和不同的靈敏度。不同的類型由指定的字母區分。最常用的是K型。