温度传感器的类型

我们每天都使用温度传感器来控制建筑物内的温度，调节水温和控制冰箱。温度传感器在许多其他应用中也至关重要，例如消费、医疗和工业电子设备。

每种应用可能有不同的温度检测需求，差异包括测量对象（空气、质量或液体）、测量位置（内部或外部）以及被测温度的范围。现代电子设备中最常使用的温度传感器有四种类型：热电偶、RTD（电阻温度检测器）、热敏电阻和基于半导体的集成电路 (IC)。

这篇博客重点介绍这四种主要的温度传感器类型、每种类型的注意事项及其优缺点。

热电偶

热电偶是最常用的温度传感器类型，常用于各种工业、汽车和消费应用。热电偶是自供电的，不需要激励，可以在很宽的温度范围内工作，并且响应时间很短。

热电偶是通过将两条不同的金属线连接在一起制成的，这会导致塞贝克效应。在塞贝克效应这种现象中，两个不同导体的温度差会在两种物质之间产生电压差。¹ 可以测量此电压差并将其用于计算温度。

有几种类型的热电偶，它们由多种不同的材料制成，适用于不同的温度范围和不同的灵敏度。不同的类型按指定的字母进行区分。最常用的是 K 型。表 1 列出了几种常见热电偶的特性。

表 1.热电偶的类型和特征（改编自“教程 6500 温度传感器教程”）²

热电偶的一些缺点包括：由于其输出电压较小，测量温度时可能面临挑战，需要精确放大；在长导线上易受外部噪声的影响；以及存在冷端。冷端是热电偶线与信号电路的铜印制线的相接位置。这里会产生另一个塞贝克效应，需要对其进行补偿，即所谓的冷端补偿。

Maxim Integrated 提供了多种数字输出热电偶，例如 MAX31855 和 MAX31856。这些器件通过整合高分辨率模数转换器 (ADC)、低噪声精密增益级和冷端补偿传感器来帮助进行信号调节。这些器件可以帮助热电偶电路的设计人员，在小型封装内提供用于信号调节的精确解决方案。它们可与许多常见类型的热电偶一起使用。

RTD（电阻温度检测器）

随着温度变化，任何金属的电阻也会变化。这种电阻差异便是 RTD 温度传感器的基础原理。RTD 是一种电阻与温度特性都有明确定义的电阻器。铂金是最常见也是最精确的用于制造 RTD 的材料。

图 1.两线、三线和四线 RTD²

白金 RTD 也称为 PRTD。它们通常在 0°C 时具有 100 Ω 和 1000 Ω 电阻，分别称为 PT100 和 PT1000。

之所以使用铂金 RTD，是因为它们具有以下特性：可针对温度变化提供近乎线性的响应；稳定而精确；可提供可重复的响应；以及具有较宽的温度范围。RTD 由于其准确性和可重复性而经常用于各类精密应用中。

RTD 元件通常具有较高的热质，因此对温度变化的响应比热电偶慢。信号调节在 RTD 中很重要。它们还需要激励电流流过 RTD。如果知道此电流，便可以计算电阻。

配置包括两线、三线和四线选项。当引线长度足够短以至于电阻不会显著影响测量精度时，两线选项非常有用。三线选项增加了一个 RTD 探头，用于承载激励电流。这提供了一种消除线电阻的方法。四线选项精度最高，因为有单独的力和检测引线消除了线电阻的影响。图 1 显示了两线、三线和四线 RTD 配置的示例。MAX31865 为每种配置提供了具有 15 位分辨率的专用 RTD 信号调节电路，还提供了用于加快 PT100 和 PT1000 RTD 设计的解决方案。

图 2.典型的热敏电阻接口²

热敏电阻

热敏电阻与 RTD 相似，即温度变化会引起可测量的电阻变化。热敏电阻通常由聚合物或陶瓷材料制成。大多数情况下，热敏电阻比 RTD 便宜，但精度也较差。大多数热敏电阻采用两线配置。

NTC（负温度系数）热敏电阻是温度测量应用中最常用的热敏电阻。NTC 热敏电阻的电阻随温度升高而减小。热敏电阻具有非线性的温度电阻关系。这需要进行大幅校正才能正确地解读数据。使用热敏电阻的一种常见方法如图 2 所示，其中的热敏电阻和固定值电阻器构成一个分压器，其输出由 ADC 进行数字化。

基于半导体的 IC

基于半导体的温度传感器 IC 有两种不同的类型：本地温度传感器和远程数字温度传感器。本地温度传感器利用晶体管的物理特性来测量自身芯片温度的 IC。远程数字温度传感器则是测量外部晶体管的温度。

本地温度传感器可以使用模拟或数字输出。模拟输出可以是电压或电流，而数字输出则可以按几种格式查看，例如 I²C、SMBus、1-Wire® 和串行外设接口 (SPI)。本地温度传感器可检测印刷电路板上的温度或其周围空气的温度。MAX31875 是一款极其小巧的本地温度传感器，可用于多种应用，包括电池供电的应用。

远程数字温度传感器利用晶体管的物理特性，工作方式类似于本地温度传感器，区别在于晶体管的位置远离传感器芯片。一些微处理器和 FPGA 包含一个双极检测晶体管，用于测量目标 IC 的芯片温度。

总结

热电偶、RTD、热敏电阻和基于半导体的 IC 是当今使用的主要温度传感器类型。热电偶价格便宜，经久耐用，并可测量较宽的温度范围。RTD 不仅具有较宽的温度测量范围（但小于热电偶的测量范围），还能提供准确、可重复的测量结果，但它们速度较慢，需要激励电流，而且需要信号调节。热敏电阻经久耐用，体积小，但其精度不及 RTD，并且需要更多的数据校正才能解读温度。基于半导体的 IC 易于植入，并且可采用极小的封装，但它们的测量温度范围有限。

尽管还有其他温度传感器选项可供选择，但本博客中讨论的四种选择能为大多数设计人员提供满足其应用需求的解决方案。

参考资料：

1 – “What Is Seebeck Effect?- Definition from WhatIs.com.” SearchNetworking, TechTarget, searchnetworking.techtarget.com/definition/Seebeck-effect.

2 – R. Nicoletti, “Tutorial 6500 Temperature Sensor Tutorial,” Maxim Integrated.https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/Temp-Sensor-Tutorial.pdf