選擇最佳類型的溫度傳感器

確定溫度是工程師需要設計的最常見事情之一。也許我們沒有像我們應該的那樣這樣做。在嵌入式設計中，我們（幾乎總是）有一個可以輕松收集溫度數(shù)據(jù)的微控制器。那么，為什么不測量同一MCU的溫度來幫助提高設計的可靠性呢？如果您有電源轉換器，了解該溫度會很有用 - 控制器IC或開關電感器，或兩者兼而有之。如果您的設計具有電機和軸承等機械鉆頭，我們可以通過監(jiān)測溫度在故障發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)故障。這還可以為您的設計提供額外的安全性。

當然，有時工程師需要精確測量溫度作為過程控制系統(tǒng)的一部分，有時他或她需要在擴展范圍內進行測量。我們也會考慮這些情況。

實際應用的溫度傳感器基本上有四種類型：硅、熱電偶、熱敏電阻和RTD。由于它們通常堅如磐石的可靠性，工程師可以依靠溫度傳感器來監(jiān)視他們的產品，從而使它們成為模擬的英雄。

熱電偶傳感器覆蓋范圍廣

熱電偶有多種類型，其中J、K和T類型最受歡迎。每種類型都有不同的兩種金屬配對。它們提供非常寬的溫度范圍 - 低至 -600°C 至高達 2300°C。 標準精度約為±2°C，但有些精度高達±0.5°C。 它們并不便宜。價格差異很大，但帶保護管的 8/9“ 直徑探頭的起價可低至?美元。它們可能是最不穩(wěn)定和可重復的傳感器類型，并且可能會受到電噪聲的困擾。

好消息是，IC可用于對所有類型的熱電偶的輸出進行A/D轉換和線性化。Maxim的MAX31855就是此類器件的一個例子，它提供七種不同的TC類型，并集成了冷端補償。轉換器將溫度解析為 0.25°C。 它使用 K 型熱電偶在 -2°C 至 +200°C 的溫度范圍內提供 ±700°C 的精度，并具有減少熱電偶導線引入噪聲誤差的電路。數(shù)據(jù)輸出是有符號的 14 位、SPI 兼容、只讀的。該 IC 采用 8 引腳 SO 封裝，工作溫度范圍為 -40° 至 125°C。 電源電流為 900μA（典型值）。

硅傳感器：易于使用且準確

由于我不明白的原因，有成千上萬的可用硅傳感器。來自許多制造商中的每一個的數(shù)百人。您可以在 0.20 秒內以低至 100 美元的價格購買一個。但是，您可能想花更多的錢購買更準確和多功能的設備。

我選擇Maxim DS18B20U作為一款出色的全能器件作為示例，在-0°C至5°C范圍內具有±10.85°C精度和1-Wire數(shù)字接口。芯片可以直接從數(shù)據(jù)線獲得電力（“寄生電源”）。它覆蓋了-55°C至125°C的整個范圍，工作在3.0V至5.0V數(shù)據(jù)線。待機電流為 1μA。

圖2：DS18B20U框圖

每條DS18B20U具有唯一的64位串行碼，允許多個器件在同一條1-Wire總線上工作。芯片是可編程的，這是一件大事。首先，分辨率可在9至12位之間選擇，產生的轉換時間從94ms到750ms不等。接下來，報警功能具有非易失性用戶可編程的上限和下限觸發(fā)點。該 IC 采用 8 引腳 SO （150 mil）、8 引腳 μSOP 和 3 引腳 TO-92 封裝。有幾種參考原理圖可用。

Maxim還提供MAX30205臨床級人體溫度傳感器，精度為±0.1°C （最大值），適用于溫度計應用。

熱敏電阻：低成本和快速響應時間

熱敏電阻具有一些誘人的品質。最常見的熱敏電阻具有負電阻溫度系數(shù)（NTC）。熱敏電阻的電阻與溫度曲線近似呈指數(shù)，需要線性化，但這可以在微控制器中完成。IC 可用于檢測和 A/D 轉換。

熱敏電阻的特性包括-55°至125°C的中等溫度范圍（盡管有些能夠承受更高的溫度），低至中等成本（取決于精度）和快速響應時間。熱敏電阻采用探頭、標準 0402 和其他 SMT 封裝，以及帶裸引線的磁珠。您可以獲得在其范圍內具有1%容差和1Ω至1GΩ電阻值的熱敏電阻。它們的價格低至每件兩便士（10 數(shù)量為 000.0 美元）。不過要小心，因為一些高性能設備每個都是 10 美元。人們需要注意不要在測量時加熱微小的磁珠，但可用的IC可以解決這個問題。

MAX6682熱敏電阻數(shù)字轉換器就是一個很好的例子。它根據(jù)熱敏電阻電阻產生10位+符號輸出代碼。它不會線性化傳遞函數(shù)，但在有限的范圍內，使用合適的外部固定電阻器，它可以提供相當精確的可重復測量，而無需線性化。該 IC 具有一個 3 線 SPI 兼容輸出接口。該芯片可降低平均熱敏電阻電流，從而最大限度地減少自發(fā)熱。在兩次轉換之間，電源電流減小至 21μA （典型值）。它使用一個在 10°C 時標稱電阻為 25kΩ 的熱敏電阻，采用 8 引腳 μMAX 封裝，額定溫度范圍為 -55° 至 125°C。還提供MAX6691四通道熱敏電阻溫度至脈寬轉換器。

RTD 傳感器可在大溫度范圍內工作

RTD比其他傳感器稍大，約為0.25平方英寸，但它們可以在-200°至850°C的大范圍內工作。最精確的RTD是用鉑制成的，但低成本的RTD可以用鎳制成。這些不那么穩(wěn)定或可重復。鉑RTD提供相當線性的輸出，在-0至1°C范圍內具有高精度（±1.200°至±600°C）。 它們的響應時間確實很慢。鎳器件的價格從 1.50 秒開始，精度為 ±100.1 度，精度為 5.0 美元。精度為 ±3.1°C 的鉑金裝置每 70，1 個數(shù)量的成本約為 000.<> 美元。

圖4：MAX31865 RTD數(shù)字轉換器框圖

MAX31865 RTD數(shù)字轉換器芯片易于使用，具有15位Δ-Σ模數(shù)轉換器。由于RTD非線性，IC產生0.031°C的輸出變化，在總體工作條件下的總精度最大值為0.5°C （滿量程的0.05%）。它提供 21ms （最大值） 轉換時間和 ±45V 輸入保護，并與 2、3 和 4 線傳感器連接兼容。該 IC 采用 SPI 兼容輸出，采用 20 引腳 TQFN 和 SSOP 封裝。

選擇一個

事實是，這四種類型都做得很好并且具有成本效益——或者至少如果你小心的話可以。除了用于極高溫的熱電偶外，如果我有一個安裝在印刷電路板上的應用，我會采用采用8引腳μSOP SMT封裝的硅傳感器。如果我有一個點測量要做，那就是磁珠熱敏電阻（小心那些精致的引線）。正是轉換IC使設計工作變得非常容易。

審核編輯：郭婷