葉云燕

    本文對(duì)當(dāng)前幾種最常用的溫度傳感器技術(shù)進(jìn)行比較并討論其在監(jiān)視PC板、環(huán)境空氣及高功率電路(如CPU、FPGA等)等常見待測(cè)工控儀表系統(tǒng)目標(biāo)上的選用、測(cè)量與保護(hù)及安裝等技術(shù)作一分析。

    對(duì)于那些想要測(cè)量系統(tǒng)溫度的設(shè)計(jì)者來說，有多種傳感技術(shù)可供選用,即熱敏電阻、熱電偶、RTD及溫度傳感器IC等.它們?cè)谔囟ㄇ闆r下都具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)。本文對(duì)當(dāng)前幾種最常用的溫度傳感器技術(shù)進(jìn)行比較，并對(duì)其在監(jiān)視PC板、環(huán)境空氣及高功率電路(如CPU、FPGA等)等常見目標(biāo)上的適用與技術(shù)可行性作討論分析。

    溫度傳感技術(shù)及分類

    傳感器通常用來在電子系統(tǒng)中監(jiān)視溫度并提供保護(hù)，以免產(chǎn)生過度的溫度偏移。下面列出幾種在電子系統(tǒng)中最常用的溫度傳感器技術(shù)。

    熱電偶

    由兩根不同的金屬線連在一起形成，金屬線之間的連接點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)與溫度近似成比例的電壓。其特點(diǎn)包括：寬溫度范圍(高達(dá)1250℃)、低成本、極低輸出電壓(對(duì)于K型，可低至40μV／℃量級(jí))、適當(dāng)?shù)木�性及中等復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理(冷端補(bǔ)償及放大)。有幾種不同的熱電偶類型，分別用字母來表示。最常見的是K型。由Maxim制造的IC(MAX6674及MAX6675)具有調(diào)整K型熱電偶信號(hào)的功能，從而可簡化設(shè)計(jì)并極大地減少信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、輸出量化所需的器件數(shù)量。熱電偶可采用帶有裸露引線的探針形式。

    RTD(電阻溫度檢測(cè)器)

    實(shí)際上是一種阻值隨溫度變化的電阻(通常用鉑金線制成)。其特點(diǎn)包括：寬溫度范圍(可高達(dá)750℃)、出色的精度及可重復(fù)性、適度的線性以及需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理等。RTD信號(hào)調(diào)理電路通常由精密電流源及高分辨率ADC組成，因此成本可能較高。RTD可采用探針形式及表面貼裝封裝，并帶裸露引線。

    熱敏電阻

    實(shí)際上是一種溫度效應(yīng)電阻，通常由電導(dǎo)型材料燒結(jié)而成。最常見的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻。其特點(diǎn)包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶?可達(dá)150℃)、中低成本(取決于精度)、較差但可預(yù)知的線性度以及需要進(jìn)行適度的信號(hào)調(diào)理等。熱敏電阻可采用探針形式以及帶裸露引線的表面貼裝封裝或其他類型的特殊封裝。由Maxim提供的IC可將熱敏電阻阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。

    IC溫度傳感器

    實(shí)際上是一種帶模擬或數(shù)字輸出并完全基于硅的溫度傳感電路。其特點(diǎn)包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶?大約150℃)、低成本、出色的線性以及很多附加功能例如信號(hào)調(diào)理、比較器及數(shù)字接口等。具有多種數(shù)字輸出方式，包括3線與4線(如SPI-串行外設(shè)接口)、2線(如I2C及SMBus)及單線(如1-Wire,PWM、頻率及周期等)等多種類型。請(qǐng)注意，信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及恒溫器等功能全都會(huì)增加其他類型溫度傳感技術(shù)的成本，但溫度傳感器IC卻通常已經(jīng)包含有這些功能。IC溫度傳感器主要采用表貼封裝。

    為系統(tǒng)測(cè)量選擇合適的溫度傳感器

    選擇正確的傳感技術(shù),須從了解待測(cè)量的目標(biāo)的特點(diǎn)及要求開始.以下列出一些常見的溫度測(cè)量目標(biāo)并將其匯總于表1中. 待測(cè)量的目標(biāo)與測(cè)量安裝分別如下。

    PC板

    表面貼裝傳感器最適用于PC板溫度測(cè)量。RTD、熱敏電阻及IC傳感器等均可采用表面貼裝封裝，且其溫度范圍與待測(cè)PC板的溫度相兼容。RTD相當(dāng)精確且提供高可重復(fù)性測(cè)量，但與熱敏電阻及IC相比，其價(jià)格較高。熱敏電阻的線性很差，但其非線性可以預(yù)測(cè)。如果只在一個(gè)較窄的溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，通常只需用一至兩個(gè)外接電阻即可將其很好地線性化。如果精度不重要，則熱敏電阻可相當(dāng)便宜；但精密熱敏電阻卻比較貴。如果采用線性化計(jì)算或查找表格，則將顯著地增加系統(tǒng)成本及復(fù)雜性。IC通常擁有出色的線性和附加功能，例如數(shù)字接口或恒溫器等功能。在測(cè)量PC板溫度時(shí)，這些特性通常使其在系統(tǒng)成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜性及性能等方面優(yōu)于其他類型的傳感器技術(shù)。

    精確地測(cè)量PC板溫度的一個(gè)關(guān)鍵因素是須將傳感器定位在正確的位置上。通常需要測(cè)量特定器件或器件組的溫度，以保證溫度不超出安全工作范圍或者對(duì)由溫度引起的器件性能變化進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)傳感器位置成為關(guān)鍵因素時(shí)，選用小封裝傳感器比較有利，如SOT23，無需改變PC板布局即很容易將其安裝在合適的位置上。當(dāng)需要將傳感器安裝在電噪聲很強(qiáng)或遠(yuǎn)離其他溫度相關(guān)電路的位置上時(shí)，數(shù)字輸出很有用。

    環(huán)境空氣

    環(huán)境空氣的溫度比較難測(cè)量，因?yàn)閭鞲衅鞯臏囟缺仨毞从晨諝獾臏囟�，但是由于與其他部件(PC板