简要分析四种常见温度传感器的优势与缺点

温度传感器是工程师们在进行某些高精度电子产品设计时，不可或缺的重要组成元件。目前市面上常见的温度传感器产品主要有四种，分别是电阻式温度检测器（RTD）、热电偶、热敏电阻器以及具有数字和模拟接口的集成电路（IC）传感器。在实际应用过程中，这四种温度传感器产品各有优势，也各有不同。在今天的文章中，我们将会来一起讨论一下以上每种传感器的优点与缺点，下面就一起来看看吧。

相信工程师们都非常清楚的一点是，在温度传感器的选择过程中，不同的产品有不同的适用范围。从系统级的立足点来看，温度传感器是否适合该款应用，将取决于所需的温度范围、准确度、线性度、解决方案成本、功能、功耗、解决方案尺寸、安装法，还有必要支持电路的易设计程度。下面我们就从这几个角度入手，来看一下这四种温度传感器产品类型的不同之处。

RTD

RTD是目前应用范围最广泛的一类温度传感器产品。在实际应用过程中，它的特点非常明显，那就是当一边测量RTD的电阻一边改变它的温度时，其响应几乎是线性的，表现得像一个电阻器。如下图图1所示，该RTD的电阻曲线并非完全呈线性，而是有几度的偏差（示出了一条用作参考的直线）——但却是高度可预测并可复验的。为了对这种轻微的非线性进行补偿，大多数设计人员都会对测得的电阻值进行数字化处理，并使用微控制器内的查找表以便应用校正因子。这种宽温度范围大约维持在-250℃至+750℃左右，在这一范围内的可复验性和稳定性使RTD在高精度应用（包括在管道和大容器内测量液体或气体的温度）中极为有用。

图1 RTD的电阻与温度

通常情况下，在PCB设计过程中，我们用来处理RTD模拟信号的电路的复杂程度，基本上根据应用而变化。放大器和模数转换器（ADC）等组件是不可或缺的。只有当测量必要时才给传感器供电——通过该方法，我们也可实现低功耗运行，但这会使该电路复杂得多。而且，使传感器通电所需的功率还会提高其内部的温度，从而影响测量准确度。仅仅几毫安的电流，这种自加热效应就会产生温度误差。当然了，这些误差是可纠正的，但需要进一步的斟酌考量。另外，需要工程师们特别注意的一点是，线绕式铂RTD或薄膜RTD的成本可能相当高，尤其当与IC传感器的成本进行比较时。

热敏电阻器

热敏电阻器是目前应用范围最广泛的电阻传感器之一，在很多产品的电路设计中都少不了它的帮助，其产品类型也是最多的，从物美价廉的产品到高精度产品，应有尽有。低成本、低精度的热敏电阻器可执行简单的测量或阈值检测功能——这类电阻器需多个组件（如比较器、参考和分立式电阻器），但非常便宜，并具有非线性的电阻-温度属性，其电阻与温度的曲线情况如下图图2所示。如果工程师需要测量宽范围的温度，那么则将需进行大量的线性化处理工作。对几个温度点进行校准可能是必要的。为实现更高的精度，可用更昂贵且公差更紧的热敏电阻阵列来帮助解决这种非线性难题，但这种阵列通常比单个热敏电阻器灵敏度低。

图2 热敏电阻器的电阻与温度

从上文中的介绍我们也可以看到，因为热敏电阻器的多跳变点系统，从而大幅度增加了复杂度和成本，所以低成本热敏电阻器一般仅用于具有最少功能要求的应用，如烤面包器、咖啡机、电冰箱和吹风机的电路设计中。此外，热敏电阻器还有一个大的缺点，那就是会遭受自加热问题的困扰。通常在较高温度下会发生该问题，因为此时它们的电阻较低。和RTD的情况一样，尚未发现不能在低电源电压下使用热敏电阻器的根本原因——但请记住，满量程输出越低，它根据模数转换器（ADC）特性直接转化成的系统灵敏度越低。小功率应用还需要提高电路复杂度，以便能对噪声引起的误差非常敏感。热敏电阻器可在-10℃至+50℃的温度范围内运行，虽然大多数热敏电阻器的额定最高工作温度范围是+10℃至+15℃。

热电偶

接下来我们来看一下热电偶的优势和缺点。这种产品的构成通常是比较简单的，热电偶包括由不同材料制成的两根电线的接点。例如，J型热电偶是由铁和康铜制成的。如图3所示，图3是TI公司的LM35用于热电偶冷接点补偿的示意图，接点1位于待测量的温度处，而接点2和接点3则被置于用LM35模拟温度传感器测定的不同温度处。输出电压与这两个温度值的差大致成比例。

图3 将LM35用于热电偶冷接点补偿

因为热电偶的这种灵敏度低的缺点（一般会保持在在每摄氏度几十微伏的量级上），所以在实际设计和使用过程中，工程师往往将需要低偏移放大器来产生可用的输出电压。在热电偶的工作范围内，温度至电压传递函数中的非线性往往需要补偿电路或查找表，正如RTD和热电偶一样。然而，尽管有这些缺点，热电偶仍非常流行，尤其适用于烤箱、水加热器、窑炉、测试设备和其它工业处理——原因是热电偶的热质量很低且工作温度范围（工作温度可扩展至2300℃以上）很宽泛。

IC传感器

最后我们来看看IC传感器产品。这种产品出现的时间相对较短，与上面几种已经得到了广泛应用的温度传感器产品相比，这是一个新成员。IC传感器最大的优势在于，它可在-55℃至+15℃的温度范围内工作，甚至有几种IC传感器工作温度可高达+20℃。而这种产品的类型也很丰富，目前有上百种类型的集成式IC传感器，不过四种最常见的集成式IC传感器当属模拟输出器件、数字接口器件、远程温度传感器以及那些具有温控器功能的集成式IC传感器。模拟输出器件在其需要ADC来对输出信号进行数字化处理时最像无源解决方案。数字接口器件最常使用两线接口（I2C或PMBus），并具有内置的ADC。

IC传感器在使用的过程中，有许多好处是其独有的，这些优点包括功耗低、可提供小型封装产品，以及能够在某些应用中实现低器件成本等等。此外，由于IC传感器在生产测试过程中都经过校准，因此没有必要进一步校准。它们通常用于健身跟踪应用、可佩戴式产品、计算系统、数据记录器和汽车应用。

表1 RTD、热敏电阻器、热电偶和IC传感器的相对优势与劣势

作为一名经验丰富的电路板设计师，我们需要将根据产品的最终要求来选择最合适的解决方案，这也就要求我们必须全面了解目前常见的四种温度传感器产品的优劣势。表1展示了每种温度传感器的相对优势/劣势，可以为各位工程师提供一些参考。

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