溫度傳感器的類型特性及選型原則分析

文章概述

本文，DigiKey詳細探討了為不同的應用選擇最佳溫度傳感器的挑戰與策略。文章首先指出，傳感器技術種類繁多且行業需求差異顯著。隨后，文章介紹了溫度傳感器選型時需平衡的多種因素并重點分析了五類傳感器的特性與適用場景。文章還通過具體產品案例展示了數字傳感器在精準測量和低功耗設計方面的優勢。

溫度傳感器分類

傳感器技術種類繁多且行業需求差異化顯著，為特定應用選擇最佳溫度傳感器會極具挑戰性。然而，許多應用都要求精確讀數，因此必須評估現有的各種產品。

進行溫度傳感器選型時需要平衡多種因素以滿足設計要求：準確度、響應時間、通信協議、環境耐受性、功耗、成本及系統集成。傳感器通常分為四類模擬電壓輸出，以及一類數字信號輸出：

• 熱電偶：溫度范圍廣，經久耐用，可測量從低溫到 +1,800°C 以上的高溫。熱電偶堅固耐用，可抵御惡劣環境，并能對快速溫度變化迅速做出反應，但其準確度和穩定性不如其他傳感器，而且需要進行信號調理。熱電偶非常適用于鋼鐵和玻璃生產等重工業，以及高熱的家用和商用電器。

• 電阻式溫度檢測器(RTD)：具有高準確度和高穩定性，非常適合精確度要求極高的工業自動化和過程控制領域。RTD 通常用于食品和制藥行業，在釀造、消毒和炸制等過程中實現嚴格的溫度控制。RTD 可為 HVAC 系統以及培養箱、分析儀器等實驗室和醫療設備提供準確的溫度測量。與熱電偶等替代品相比，RTD 的成本可能比較高，而且由于依賴于細線或薄膜檢測元件而比較脆弱。RTD 通常與精密測量電路組合使用，從而增加了設計的復雜性和成本。

• 熱敏電阻：由半導體制成，電阻值隨溫度變化的電阻器，靈敏度高。溫度變化小，電阻變化大，因此能檢測到溫度的微小波動且分辨率高。熱敏電阻體積小、響應速度快、成本低廉，涵蓋從微珠到較大型探頭的各種規格。熱敏電阻適用于溫度范圍有限的應用，通常在 -50°C 至 150°C 之間。熱敏電阻用途廣泛，可用于與環境或人體溫度相關的醫療設備和消費類電子產品，以及汽車應用、電池管理系統、消費類電器、火災和煙霧探測等領域。不過，熱敏電阻的非線性電阻曲線需要轉換公式或查表法將電阻值轉換為準確的溫度，而且與 RTD 相比，熱敏電阻可能會隨時間發生漂移。

• 二極管溫度傳感器：響應速度快，體積比其他三種模擬傳感器小，可方便地連接微控制器、模數轉換器 (ADC) 和專用集成電路 (ASIC)。二極管溫度傳感器性價比高，溫度范圍限定在 -55°C 至 +150°C 之間，可廣泛應用于消費電子、工業自動化、數據中心存儲系統、汽車等眾多領域。這種傳感器的準確度低于 RTD，易受系統噪聲影響，而且通常需要校準以確保不同設備之間的讀數一致。

• 數字溫度傳感器：一種用于測量溫度并直接提供數字輸出集成電路 (IC)，通常通過如 SMBus、I2C、SPI 或 1-Wire 等標準通信協議傳輸數據。數字傳感器無需像模擬傳感器那樣依賴外部信號調理、放大和模數轉換。

選擇合適的溫度傳感器需要在準確度、響應時間、耐用性和成本之間進行權衡，也可按照特定的行業要求，選擇合適的組件。

在溫度傳感器選型過程中，應用所處的工作環境具有至關重要的作用。惡劣環境下，需要熱電偶或涂層 RTD 等堅固耐用的傳感器，而熱敏電阻或半導體傳感器則更適合受控環境。成本和能否擴展也是批量生產需要考慮的因素——熱敏電阻經濟實惠，而 RTD 和高端熱電偶則具有長期穩定性。

設計人員對準確度與實用性的取舍同樣是選型的關鍵。RTD 的精度高，但價格昂貴；熱電偶用途很廣泛，但準確度較低。響應時間和位置同樣是關鍵——熱電偶和熱敏電阻等輕小型傳感器的響應速度都很快，但安裝位置可能會影響性能。

傳感器及其相關電路的成本會極大地影響選型，在消費類產品或大批量生產中尤為突出。不同類型傳感器的成本差異很大。模擬傳感器需要進行信號調節，而數字傳感器可簡化集成。減少模擬電路和校準工作可以最大限度地降低總成本，即使選擇成本略高的數字傳感器也是合理的。

數字傳感器及其特性

數字傳感器在內部轉換模擬信號，并以數字流形式傳輸數據，通常具有更好的抗噪能力，并能進行更復雜的數據處理。Analog Devices, Inc. (ADI) 提供廣泛的模擬和數字溫度傳感器產品組合，設計人員應仔細評估哪種產品最符合其應用需求。下面簡要介紹一些數字傳感器。

如果需要精準的溫度讀數，準確性可能是最重要的選型因素。ADI 的 MAX31888 數字傳感器在 -20°C 至 +105°C 范圍內具有 ±0.25°C 的精確度，可通過 1-Wire 總線與微控制器通信，從而實現高精密度溫度監控電路（圖 1）。每個 MAX31888 都有自己獨一無二的 64 位注冊編號，用作多點單線網絡中的節點地址。

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：使用

MAX31888

溫度傳感器的典型應用電路。（圖片來源：

Analog Devices, Inc.

MAX31888僅使用一條數據線進行通信，可直接從該數據線獲得寄生電源，而無需外部電源。使用外部電源時，其電壓范圍為 1.7 V 至 3.6 V，且測量期間的電流消耗僅為 68 μA。

在設計小型電池供電設備時，功耗和尺寸應該是最令人擔憂的問題。針對可穿戴設備等應用，ADI 的 MAX31875 器件（如 MAX31875R0TZS+T（圖 2））以 0.84 mm x 0.84 mm x 0.35 mm 超小封裝實現了低供電電流和 ±1°C 溫度測量準確度。

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MAX31875R0TZS+T

的外形。（圖片來源：

Analog Devices, Inc.

MAX31875系列采用兼容 I2C/SMBus 的串行接口，可使用標準的寫字節、讀字節、發送字節和接收字節命令來讀取溫度數據，并在典型電路中配置傳感器參數（圖 3）。該系列使用 <10 μA 的平均電源電流，可測量范圍為 -50°C 至 +150°C。

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：使用

MAX31875

數字溫度傳感器的應用電路。（圖片來源：

Analog Devices, Inc.

ADI 還提供用于精密測量熱二極管溫度并將其轉換為數字格式的集成電路，以取代傳統的熱敏電阻或熱電偶。這些遠程二極管傳感器可測量外部 PN 結的溫度，如 CPU、GPU、fpga 和 ASIC 中內置的熱二極管。MAX6654MEE+T 可測量一個熱二極管。對于 2、3、4 和 8 通道應用，還可選擇其他傳感器。

通過適當的內部和外部濾波，遠程二極管傳感器可廣泛應用于電噪聲環境。MAX31732ATG+T 是一款 4 通道溫度傳感器，可監測自身溫度并同步監測多達四個外部二極管連接晶體管的溫度（圖 4）。

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ADI

MAX31732

可監控多達四個外部二極管連接晶體管的溫度，如該應用電路所示。（圖片來源：

Analog Devices, Inc.

MAX31732傳感器無需任何特殊軟件或固件即可為其設置溫度閾值。雙線串行接口可用于監控溫度和修改溫度閾值。

總結

找到最佳的溫度傳感器可確保應用具有更好的性能、可靠性和成本效益。選型時會受到一系列因素的影響，包括特定行業的要求和標準，以及成本與性能之間的權衡。ADI 的數字溫度傳感器產品組合可提供滿足各種應用需求的解決方案。

小編的話

正確選擇溫度傳感器是確保測量結果準確、可靠、適用的基石。正確的選型將決定它是否能夠提供可信的數據，這將直接影響到運營安全、產品品質、成本控制和企業合規，是實現精細化管理與可靠自動化的重要前提。您對于溫度傳感器的選型有哪些經驗或疑問？歡迎留言，和DigiKey的朋友們一起分享交流！

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