温度传感器相关知识总结

如果您要进行可靠的温度测量，就需要为您的应用选择正确的温度传感器。热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC是测试中最常用的温度传感器。

图1各种流行温度传感器的优点和缺点
热电偶

测温原理:

两种不同成分的导体（称为热电偶丝或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电动势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。

热电偶是温度测量中最常用的传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，尤其最便宜。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，如图2所示。当热电偶一端受热时，热电偶威廉希尔官方网站 中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。

图 2热偶威廉希尔官方网站 图(左)和热偶电压— 温度曲线例子(右)
由于电压和温度是非线性关系，因此需要为参考温度(Tref)作第二次测量，并利用测试设备软件和∕或硬件在仪器内部处理电压—温度变换，以最终获得热偶温度(Tx)。Agilent34970A和34980A数据采集器均有内置的测量了运算能力。

简而言之，热偶是最简单和最通用的温度传感器，但热偶并不适合高精度的应用。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

热敏电阻

（1） 测温原理:

热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即：

式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为：

式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。

热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。

图3热敏电阻威廉希尔官方网站 图

热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。

热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度， 有较好的精度，但它比热偶贵，可测温度范围也小于热偶。一种常用热敏电阻在25℃时的阻值为5kΩ，每1℃的温度改变造成200Ω的电阻变化。注意10Ω的引线电阻仅造成可忽略的0.05℃误差。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的，但必须注意防止自热误差。

测量技巧

热敏电阻体积小是优点，它能很快稳定，不会造成热负载。不过也因此很不结实，大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。

电阻温度传感器

与热敏电阻相似，铂电阻温度传感器(RTD)是用铂制成的热敏感电阻。当通过测量电压计算RTD温度时，数字万用表用已知电流源测量该电流源所产生的电压。这一电压为两条引线(Vlead)上的压降加RTD上的电压(Vtemp)。例如，常用RTD的电阻为100Ω，每1℃仅产生0.385Ω的电阻变化。如果每条引线有10Ω电阻，就将造成26℃的测量误差，这是不可接受的。所以应对RTD作4线欧姆测量。

图4RTD需要用4线测量

RTD是最精确和最稳定的温度传感器，它的线性度优于热偶和热敏电阻。但RTD是最贵的温度传感器。因此RTD最适合对精度有严格要求，而速度和价格不太关键的应用领域。

测量技巧

• 使用5mA电流源会因自热造成2.5℃的温度测量误差。因此把自热误差减到最小是极为重要的。

• 4线测量更为精确，但需要两倍的引线和两倍的开关。

温度IC

温度集成威廉希尔官方网站 (IC)是一种数字温度传感器，它有非常线性的电压∕电流—温度关系。有些IC传感器甚至有代表温度、并能被微处理器直接读出的数字输出形式。

图6电流传感器(左)和电压传感器(右)

有两类具有如下温度关系的温度IC：

• 电压IC: 10 mV/K。

• 电流IC: 1μA/K。
  
  温度IC的输出是非常线性的电压∕℃。实际产生的是电压∕Kelvin，因此室温时的1℃输出约为3V。温度IC需要有外电源。通常温度IC是嵌入在威廉希尔官方网站 中而不用于探测。

温度IC缺点是温度范围非常有限，也存在同样的自热、不坚固和需要外电源的问题。总之，温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。

测量技巧

• 温度IC 体积较大，因此它变化慢，并可能造成热负载。

• 把温度IC用于接近室温的场合。这是它最流行的应用。虽然测量范围有限，但也能测量150℃的高温。

实例

LM135235335系列是美国国家半导体公司（NS）生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，是电压输出型温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管。该系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于1Ω的动态阻抗，工作电流范围从400μA到5mA，精度为1℃，LM135的温度范围为-55℃～+150℃，LM235的温度范围为-40℃～+125℃，LM335为-40℃~+100℃。封装形式有TO-46、TO-92、SO-8。该器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。详细信息见LM135，235，335.pdf。

AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3~30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，测温范围为-55℃～+150℃，输出电流为223μA~423μA，输出电流变化1μA相当于温度变化1℃，最大非线性误差为±0.3℃，响应时间仅为20μs，重复性误差低至±0.05℃，功耗约为2mW,输出电流信号的传输距离可达到1km以上，作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差,适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。详细信息见AD590.pdf。

数字式温度传感器：

（1） 原理：

将敏感元件、A/D转换单元、存储器等集成在一个芯片上，直接输出反应被测温度的数字信号，使用方便，但响应速度较慢（100ms数量级）。

（2） 实例：

DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的世界上第一片支持“一线总线”

接口的数字式温度传感器，供电电压范围为3～5.5V，测温范围为-55℃～+125℃，可编程的9～12位分辨率，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，出厂设置默认为12位，在12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字。

经验丰富的威廉希尔官方网站 板设计人员将根据最终产品要求来使用最合适的解决方案。表1展示了每种温度传感器的相对优势/劣势。

非接触式温度传感器

非接触式的温度传感器的优点：

1、由于和被测量介质不直接发生接触，所以不用考虑被接触介质的一些自身物理特性，例如：粘附、腐蚀、磨损等等都不会对传感器造成损害。而接触搜索式的就要面临这些问题的额外解决。

2、受空间局限性较小。对于一些距离较远不易接触到的被测量目标可以远距离测量温度。

3、对于一些不方便接触测量的目标可以实现测量，例如旋转机械、运动中的目标等等

非接触式温度传感器缺点：

1、容易受到环境因素干扰，例如热辐射

2、不容易实现对目标的长期连续测量。

MLX90620远红外线传感器采用非接触温度测量技术，是一种高性价比的热成像解决方案。该16 x 4远红外热电堆传感器阵列可覆盖-20°C～300°C的温度范围，能生成目标区域的实时热值图谱。有了它，就可以不用单点传感器或昂贵的微测热辐射计来扫描目标区域了。

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