温度传感器简介：热敏电阻、热电偶、RTD 和温度计 IC

了解各种类型的温度传感器及其优缺点。
 
温度传感器类型

温度传感器是常用的传感器之一。所有类型的设备都使用温度传感器，包括计算机、汽车、厨房用具、空调和（当然）家用恒温器。五种常见的温度传感器类型包括：

• 热敏电阻
• 热电偶
• 热电阻
• 模拟温度计 IC
• 数字温度计 IC

本文将简要介绍所列的每种传感器类型。
 
热敏电阻基础知识——NTC 与 PTC 热敏电阻

顾名思义，热敏电阻（即therm al resistor ）是一种温度传感器件，其电阻值是其温度的函数。
热敏电阻有两种类型：PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数）。PTC 热敏电阻的电阻随温度升高而增加。相比之下，NTC 热敏电阻的阻值会随着温度升高而降低，这种类型似乎是常用的热敏电阻。请参见下面的图 1。

图 1. PTC（左）和 NTC（右）热敏电阻电气符号。

重要的是要认识到热敏电阻的电阻与其温度之间的关系是非线性的，如图 2 所示。 

图 2. NTC 热敏电阻电阻与温度的关系。图片由Maxim Integrated提供

NTC 热敏电阻电阻方程

NTC 热敏电阻的电阻作为温度函数的标准方程式由下式给出：
 
R_T=R_{25C}cdot e^{left{etaleft[left(1/left(T+273 ight) ight)-left(1/298 ight)右]右\}}R_T=R_{25C}cdot e^{left{etaleft[left(1/left(T+273 ight) ight)-left(1/298 ight)右]右\}}
 
在哪里：

• R 25C是热敏电阻在室温 (25 °C) 下的标称电阻。该值通常在数据表中提供。
• β (beta) 是热敏电阻的材料常数，单位为开尔文。该值通常在数据表中提供。
• T 是热敏电阻的实际温度（摄氏度）。
 
但是，有两种简单的技术可用于使热敏电阻的行为线性化，即电阻模式和电压模式。
 
电阻模式线性化

电阻模式线性化将一个普通电阻与热敏电阻并联。如果电阻值与室温下热敏电阻的值相同，则线性化区域将围绕室温对称。请参见下面的图 3。

图 3.电阻模式线性化。图片由Maxim Integrated提供

电压模式线性化

另一方面，电压模式线性化将热敏电阻与普通电阻串联，形成分压电路——分压电路必须连接到已知、固定且稳定的参考电压 V REF。

这种配置产生的输出电压在整个温度范围内呈某种程度的线性。与电阻模式线性化一样，如果电阻器的值等于室温下热敏电阻的电阻，则线性化区域将围绕室温对称（图 4）。

图 4.电压模式线性化。图片由Maxim Integrated提供

热电偶——热电偶如何工作？

热电偶通常用于测量更高的温度和更大的温度范围。

总结热电偶的工作原理，任何受到热梯度影响的导体都会产生一个小电压。这种现象被称为塞贝克效应。产生的电压的大小取决于金属的类型。塞贝克效应的实际应用涉及两种不同的金属，它们一端连接在一起，另一端分开。结温可以通过非结端导线之间的电压来确定。
 
热电偶类型

有各种类型的热电偶。某些合金组合已变得流行，所需的组合由成本、可用性、化学性质和稳定性等变量驱动。不同的类型适合不同的应用，通常根据所需的温度范围和灵敏度来选择它们。

图 5 显示了热电偶特性图。

图 5.热电偶特性。图片由维基百科提供。

电阻式温度检测器 (RTD)

电阻式温度检测器，也称为电阻温度计，可能是容易理解的温度传感器。RTD 类似于热敏电阻，因为它们的电阻会随温度变化。然而，RTD 并没有像热敏电阻那样使用对温度变化敏感的特殊材料，而是使用缠绕在由陶瓷或玻璃制成的磁芯上的线圈。

RTD 导线由纯材料制成，通常为铂、镍或铜，并且该材料具有的电阻-温度关系，可用于确定测量温度。
 
模拟温度计 IC

除了在分压器电路中使用热敏电阻和固定值电阻器之外，另一种解决方案是模拟低压温度传感器，例如Analog Devices 的TMP36 。与热敏电阻相比，该模拟 IC 提供几乎线性的输出电压；在 -40 至 +125 °C 的温度范围内，斜率为 10 mV/°C，精度为 ±2 °C。请参见下面的图 6。

图 6. TMP36数据表 中的绘图。

尽管这些设备非常易于使用，但它们比热敏电阻加电阻组合要贵得多。
 
数字温度计 IC

数字温度设备更复杂，但它们可以非常准确。此外，它们还可以简化您的整体设计，因为模数转换发生在温度计 IC 内部，而不是单独的设备，例如微控制器。例如， Maxim Integrated 的DS18B20 精度为 ±0.5 °C，温度范围为 -55 °C 至 +125 °C。

此外，一些数字 IC 可以配置为从其数据线收集能量，从而允许它们仅使用两条线（即数据/电源和地线）进行连接。单击此处了解有关此“1-wire”接口的更多信息。

图 7. DS18B20 框图，取自DS18B20数据表。

比较温度传感器的类型

下面的表 1 显示了所讨论的不同温度传感器之间的比较。但是，请记住，此信息应该作为概括来接收。该表主要面向那些缺乏温度传感器广泛经验和/或知识的人员。

表 1.所讨论的温度传感器的简要比较。