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(xì)探討了為不同的應(yīng)用選擇最佳溫度傳感器的挑戰(zhàn)與策略。文章首先指出，傳感器技術(shù)種類繁多且行業(yè)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(chǎn)品案例展示了數(shù)字傳感器在精準(zhǔn)測量和低功耗設(shè)計方面的優(yōu)勢。

溫度傳感器分類

傳感器技術(shù)種類繁多且行業(yè)需求差異化顯著，為特定應(yīng)用選擇最佳溫度傳感器會極具挑戰(zhàn)性。然而，許多應(yīng)用都要求精確讀數(shù)，因此必須評估現(xiàn)有的各種產(chǎn)品。

進(jìn)行溫度傳感器選型時需要平衡多種因素以滿足設(shè)計要求：準(zhǔn)確度、響應(yīng)時間、通信協(xié)議、環(huán)境耐受性、功耗、成本及系統(tǒng)集成。傳感器通常分為四類模擬電壓輸出，以及一類數(shù)字信號輸出：

• 熱電偶：溫度范圍廣，經(jīng)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(huán)境，并能對快速溫度變化迅速做出反應(yīng)，但其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性不如其他傳感器，而且需要進(jìn)行信號調(diào)理。熱電偶非常適用于鋼鐵和玻璃生產(chǎn)等重工業(yè)，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(zhǔn)確度和高穩(wěn)定性，非常適合精確度要求極高的工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域。RTD 通常用于食品和制藥行業(yè)，在釀造、消毒和炸制等過程中實現(xiàn)嚴(yán)格的溫度控制。RTD 可為 HVAC 系統(tǒng)以及培養(yǎng)箱、分析儀器等實驗室和醫(yī)療設(shè)備提供準(zhǔn)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(xì)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(shè)計的復(fù)雜性和成本。

• 熱敏電阻：由半導(dǎo)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(yīng)速度快、成本低廉，涵蓋從微珠到較大型探頭的各種規(guī)格。熱敏電阻適用于溫度范圍有限的應(yīng)用，通常在 -50°C 至 150°C 之間。熱敏電阻用途廣泛，可用于與環(huán)境或人體溫度相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備和消費類電子產(chǎn)品，以及汽車應(yīng)用、電池管理系統(tǒng)、消費類電器、火災(zāi)和煙霧探測等領(lǐng)域。不過，熱敏電阻的非線性電阻曲線需要轉(zhuǎn)換公式或查表法將電阻值轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確的溫度，而且與 RTD 相比，熱敏電阻可能會隨時間發(fā)生漂移。

• 二極管溫度傳感器：響應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用于消費電子、工業(yè)自動化、數(shù)據(jù)中心存儲系統(tǒng)、汽車等眾多領(lǐng)域。這種傳感器的準(zhǔn)確度低于 RTD，易受系統(tǒng)噪聲影響，而且通常需要校準(zhǔn)以確保不同設(shè)備之間的讀數(shù)一致。

• 數(shù)字溫度傳感器：一種用于測量溫度并直接提供數(shù)字輸出集成電路 (IC)，通常通過如 SMBus、I2C、SPI 或 1-Wire 等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)字傳感器無需像模擬傳感器那樣依賴外部信號調(diào)理、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

選擇合適的溫度傳感器需要在準(zhǔn)確度、響應(yīng)時間、耐用性和成本之間進(jìn)行權(quán)衡，也可按照特定的行業(yè)要求，選擇合適的組件。

在溫度傳感器選型過程中，應(yīng)用所處的工作環(huán)境具有至關(guān)重要的作用。惡劣環(huán)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(dǎo)體傳感器則更適合受控環(huán)境。成本和能否擴展也是批量生產(chǎn)需要考慮的因素——熱敏電阻經(jīng)濟實惠，而 RTD 和高端熱電偶則具有長期穩(wěn)定性。

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

傳感器及其相關(guān)電路的成本會極大地影響選型，在消費類產(chǎn)品或大批量生產(chǎn)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(jìn)行信號調(diào)節(jié)，而數(shù)字傳感器可簡化集成。減少模擬電路和校準(zhǔn)工作可以最大限度地降低總成本，即使選擇成本略高的數(shù)字傳感器也是合理的。

數(shù)字傳感器及其特性

數(shù)字傳感器在內(nèi)部轉(zhuǎn)換模擬信號，并以數(shù)字流形式傳輸數(shù)據(jù)，通常具有更好的抗噪能力，并能進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。Analog Devices, Inc. (ADI) 提供廣泛的模擬和數(shù)字溫度傳感器產(chǎn)品組合，設(shè)計人員應(yīng)仔細(xì)評估哪種產(chǎn)品最符合其應(yīng)用需求。下面簡要介紹一些數(shù)字傳感器。

如果需要精準(zhǔn)的溫度讀數(shù)，準(zhǔn)確性可能是最重要的選型因素。ADI 的 MAX31888 數(shù)字傳感器在 -20°C 至 +105°C 范圍內(nèi)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(xiàn)高精密度溫度監(jiān)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(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點地址。

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：使用

MAX31888

溫度傳感器的典型應(yīng)用電路。（圖片來源：

Analog Devices, Inc.

MAX31888僅使用一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信，可直接從該數(shù)據(jù)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(shè)計小型電池供電設(shè)備時，功耗和尺寸應(yīng)該是最令人擔(dān)憂的問題。針對可穿戴設(shè)備等應(yīng)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(xiàn)了低供電電流和 ±1°C 溫度測量準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的寫字節(jié)、讀字節(jié)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)命令來讀取溫度數(shù)據(jù)，并在典型電路中配置傳感器參數(shù)（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(shù)字溫度傳感器的應(yīng)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(zhuǎn)換為數(shù)字格式的集成電路，以取代傳統(tǒng)的熱敏電阻或熱電偶。這些遠(yuǎn)程二極管傳感器可測量外部 PN 結(jié)的溫度，如 CPU、GPU、fpga 和 ASIC 中內(nèi)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(yīng)用，還可選擇其他傳感器。

通過適當(dāng)?shù)膬?nèi)部和外部濾波，遠(yuǎn)程二極管傳感器可廣泛應(yīng)用于電噪聲環(huán)境。MAX31732ATG+T 是一款 4 通道溫度傳感器，可監(jiān)測自身溫度并同步監(jiān)測多達(dá)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(jiān)控多達(dá)四個外部二極管連接晶體管的溫度，如該應(yīng)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(shè)置溫度閾值。雙線串行接口可用于監(jiān)控溫度和修改溫度閾值。

總結(jié)

找到最佳的溫度傳感器可確保應(yīng)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(yè)的要求和標(biāo)準(zhǔn)，以及成本與性能之間的權(quán)衡。ADI 的數(shù)字溫度傳感器產(chǎn)品組合可提供滿足各種應(yīng)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(jié)果準(zhǔn)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(shù)據(jù)，這將直接影響到運營安全、產(chǎn)品品質(zhì)、成本控制和企業(yè)合規(guī)，是實現(xiàn)精細(xì)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(jīng)驗或疑問？歡迎留言，和DigiKey的朋友們一起分享交流！

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