了解各種類型的溫度傳感器及其優(yōu)缺點(diǎn)。

溫度傳感器類型

溫度傳感器是常用的傳感器之一。所有類型的設(shè)備都使用溫度傳感器，包括計(jì)算機(jī)、汽車、廚房用具、空調(diào)和（當(dāng)然）家用恒溫器。五種常見(jiàn)的溫度傳感器類型包括：

• 熱敏電阻
• 熱電偶
• 熱電阻
• 模擬溫度計(jì) IC
• 數(shù)字溫度計(jì) IC

本文將簡(jiǎn)要介紹所列的每種傳感器類型。

熱敏電阻基礎(chǔ)知識(shí)——NTC 與 PTC 熱敏電阻

顧名思義，熱敏電阻（即therm al resistor ）是一種溫度傳感器件，其電阻值是其溫度的函數(shù)。

熱敏電阻有兩種類型：PTC（正溫度系數(shù)）和NTC（負(fù)溫度系數(shù)）。PTC 熱敏電阻的電阻隨溫度升高而增加。相比之下，NTC 熱敏電阻的阻值會(huì)隨著溫度升高而降低，這種類型似乎是常用的熱敏電阻。請(qǐng)參見(jiàn)下面的圖 1。

圖 1. PTC（左）和 NTC（右）熱敏電阻電氣符號(hào)。

重要的是要認(rèn)識(shí)到熱敏電阻的電阻與其溫度之間的關(guān)系是非線性的，如圖 2 所示。 

圖 2. NTC 熱敏電阻電阻與溫度的關(guān)系。圖片由Maxim Integrated提供

NTC 熱敏電阻電阻方程

NTC 熱敏電阻的電阻作為溫度函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方程式由下式給出：

R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\右]\右\}}R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\右]\右\}}

在哪里：

• R 25C是熱敏電阻在室溫 (25 °C) 下的標(biāo)稱電阻。該值通常在數(shù)據(jù)表中提供。

• β (beta) 是熱敏電阻的材料常數(shù)，單位為開(kāi)爾文。該值通常在數(shù)據(jù)表中提供。

• T 是熱敏電阻的實(shí)際溫度（攝氏度）。

但是，有兩種簡(jiǎn)單的技術(shù)可用于使熱敏電阻的行為線性化，即電阻模式和電壓模式。

電阻模式線性化

電阻模式線性化將一個(gè)普通電阻與熱敏電阻并聯(lián)。如果電阻值與室溫下熱敏電阻的值相同，則線性化區(qū)域?qū)@室溫對(duì)稱。請(qǐng)參見(jiàn)下面的圖 3。

圖 3.電阻模式線性化。圖片由Maxim Integrated提供

電壓模式線性化

另一方面，電壓模式線性化將熱敏電阻與普通電阻串聯(lián)，形成分壓電路——分壓電路必須連接到已知、固定且穩(wěn)定的參考電壓 V REF。

這種配置產(chǎn)生的輸出電壓在整個(gè)溫度范圍內(nèi)呈某種程度的線性。與電阻模式線性化一樣，如果電阻器的值等于室溫下熱敏電阻的電阻，則線性化區(qū)域?qū)@室溫對(duì)稱（圖 4）。

圖 4.電壓模式線性化。圖片由Maxim Integrated提供

熱電偶——熱電偶如何工作？

熱電偶通常用于測(cè)量更高的溫度和更大的溫度范圍。

總結(jié)熱電偶的工作原理，任何受到熱梯度影響的導(dǎo)體都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電壓。這種現(xiàn)象被稱為塞貝克效應(yīng)。產(chǎn)生的電壓的大小取決于金屬的類型。塞貝克效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用涉及兩種不同的金屬，它們一端連接在一起，另一端分開(kāi)。結(jié)溫可以通過(guò)非結(jié)端導(dǎo)線之間的電壓來(lái)確定。

熱電偶類型

有各種類型的熱電偶。某些合金組合已變得流行，所需的組合由成本、可用性、化學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性等變量驅(qū)動(dòng)。不同的類型適合不同的應(yīng)用，通常根據(jù)所需的溫度范圍和靈敏度來(lái)選擇它們。

圖 5 顯示了熱電偶特性圖。

圖 5.熱電偶特性。圖片由維基百科提供。

電阻式溫度檢測(cè)器 (RTD)

電阻式溫度檢測(cè)器，也稱為電阻溫度計(jì)，可能是容易理解的溫度傳感器。RTD 類似于熱敏電阻，因?yàn)樗鼈兊碾娮钑?huì)隨溫度變化。然而，RTD 并沒(méi)有像熱敏電阻那樣使用對(duì)溫度變化敏感的特殊材料，而是使用纏繞在由陶瓷或玻璃制成的磁芯上的線圈。

RTD 導(dǎo)線由純材料制成，通常為鉑、鎳或銅，并且該材料具有的電阻-溫度關(guān)系，可用于確定測(cè)量溫度。

模擬溫度計(jì) IC

除了在分壓器電路中使用熱敏電阻和固定值電阻器之外，另一種解決方案是模擬低壓溫度傳感器，例如Analog Devices 的TMP36 。與熱敏電阻相比，該模擬 IC 提供幾乎線性的輸出電壓；在 -40 至 +125 °C 的溫度范圍內(nèi)，斜率為 10 mV/°C，精度為 ±2 °C。請(qǐng)參見(jiàn)下面的圖 6。

圖 6. TMP36數(shù)據(jù)表 中的繪圖。

盡管這些設(shè)備非常易于使用，但它們比熱敏電阻加電阻組合要貴得多。

數(shù)字溫度計(jì) IC

數(shù)字溫度設(shè)備更復(fù)雜，但它們可以非常準(zhǔn)確。此外，它們還可以簡(jiǎn)化您的整體設(shè)計(jì)，因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換發(fā)生在溫度計(jì) IC 內(nèi)部，而不是單獨(dú)的設(shè)備，例如微控制器。例如， Maxim Integrated 的DS18B20 精度為 ±0.5 °C，溫度范圍為 -55 °C 至 +125 °C。

此外，一些數(shù)字 IC 可以配置為從其數(shù)據(jù)線收集能量，從而允許它們僅使用兩條線（即數(shù)據(jù)/電源和地線）進(jìn)行連接。單擊此處了解有關(guān)此“1-wire”接口的更多信息。

圖 7. DS18B20 框圖，取自DS18B20數(shù)據(jù)表。點(diǎn)擊放大。

比較溫度傳感器的類型

下面的表 1 顯示了所討論的不同溫度傳感器之間的比較。但是，請(qǐng)記住，此信息應(yīng)該作為概括來(lái)接收。該表主要面向那些缺乏溫度傳感器廣泛經(jīng)驗(yàn)和/或知識(shí)的人員。

表 1.所討論的溫度傳感器的簡(jiǎn)要比較。