温度传感器的三种类型及原理（一个小温度传感器项目）

这是系列文章的第四部分，我们将介绍在电子项目中可能使用的所有主要类型的温度传感器。我们正在研究在设计中实现这些不同传感器的各种方法。在本系列的最后，我们将使用真实世界的条件，将传感器和实现放在一个正面的竞争中。这个真实世界的测试将使我们更好地了解不同的传感器是如何工作和对变化的条件作出反应的，以及它们如何线性和准确地感知温度。

与我的项目一样，您可以在 github. 你可以随意使用电路或项目，即使是商业项目。你会发现我们讨论的电阻温度探测器的细节，还有我的大量开源软件中的其他电阻温度探测器Altium设计师图书馆. 您还可以找到所有其他温度传感器类型的详细信息，以及这个库中包含的大量不同组件。

在本系列的这一部分中，我们将介绍电阻温度检测器（RTD），它是最精确的温度测量元件之一，我们可以很容易地获得这些元件。我特意在这里把“元件”称为集成电路和微机电系统（MEMS）设备，我们将在接下来的文章中介绍这些器件，它们可以更精确，输出更线性。电阻式温度检测器本质上是一种电阻，其值随着温度的变化以非常精确的速率变化。

温度传感器对许多工业都至关重要。即使在PCB上，温度传感器也可以用来确保从其他传感器接收到的数据的准确性，并有助于防止电路板过热。在本系列中，我们将介绍一系列不同的传感器类型以及如何最好地使用它们。我们将关注：

• 负温度系数热敏电阻
• 正温度系数（PTC）热敏电阻器
• 电阻式温度检测器（RTD）
• 模拟温度传感器集成电路
• 数字温度传感器IC
• 热电偶式温度计

在温度传感器系列简介，我们建立了两个项目模板，这将使我们有一个标准的测试设置不同的温度传感器，每个有相同的接口和连接器的位置。其中一个项目是为数字温度传感器设计的，另一个是为模拟温度传感器设计的。在本文中，我们将同时使用这两种方法，将数字项目模板用于高分辨率ADC，而模拟模板用于所有其他实现。

在本系列的最后，我们将为这些传感器卡构建两个主机板，一个用于测试单个卡以进行验证，另一个用于连接一堆卡。第二块主板上安装了多个传感器，当我们相互比较评估所有传感器实现的性能时，我们将使用这个主板。

电阻式温度检测器（RTD）

电阻温度检测器，简称RTD，与热敏电阻器但通常更准确。虽然精度为1%的热敏电阻被认为是精确和可接受的，但具有0.1%公差的电阻式温度检测器并不少见。对于电阻式温度检测器来说，精度比热敏电阻高得多。除了与我们在NTC热敏电阻文章中看到的热敏电阻相比，电阻式温度检测器的公差更高，它还具有更线性的温度曲线，这使得利用测量的电阻更容易实现。

镍基电阻温度探测器的最高感温温度往往比铂基探测器低。铂探测器的测量能力远远超过焊料的熔点，因此你会发现，对于高温应用，它们是通过压接连接安装在电缆上或内置在探头设备中，而不仅仅是表面安装的部件。许多电阻式温度检测器在较低的温度范围内也能很好地工作，市场上有大量的工作温度可供选择，工作温度远低于自然环境中的温度。表面安装式RTD组件通常只有与大多数其他表面安装部件相似的工作温度范围（约-55°C至175°C）。但是，安装在铅上的RTD部件可以在-200°C到850°C的范围内工作。

与热敏电阻不同，热敏电阻将25°C时的电阻定义为其规格电阻，RTD使用0°C时的电阻作为其规格电阻。

与热敏电阻一样，减少通过探测器的电流对于确保能够准确测量温度至关重要，而不会通过自热效应影响结果。您通常希望通过RTD的电流保持在0.1 mA和1.5 mA之间。电阻式温度检测器的电阻值往往比热敏电阻低得多，因此如果不加以检查，较高的电流流会导致严重的自热问题。这意味着你很可能需要使用一种替代方法来使用一个简单的分压器来获得准确的读数。

Part	PTS060301B100RP100	32207638	ZNI1000TA
Type	RTD	RTD	RTD
Material	Platinum	Platinum	Nickel
Sensing Temp Min	-55°C	50°C	-55°C
Sensing Temp Max	155°C	150°C	150°C
Sensing Range	Local	Local	Local
Resistance at 0°C	100 ohm	100 ohm	100 ohm
Resistance Tolerance	± 0.3%	± 0.12%	-
Temperature Coefficient (ppm/°C)	3850 ppm/°C	3850 ppm/°C	-
Accuracy	-	± 0.3°C	± 0.3°C
Manufacturer	Vishay Beyschlag	Heraeus Nexensos USA	Diodes Inc
Package	0603 (1608 Metric)	0603 (1608 Metric)	SOT-23-3

RTD实施：分压器

简单的电路分压器不建议与RTD一起使用。探测器的低电阻意味着你将经历一个小的自热效应，这将导致你的测量不准确，特别是当使用100欧姆的传感器时，比如我们将要看到的传感器。我们可以实现分压器为1千欧姆的电阻式温度检测器，我们期待使用；不过，那可没那么有趣！有了100欧姆电阻式温度检测器，我们将有望看到分压器的性能要差得多，并说明为什么使用替代拓扑是一个更好的主意，尽管它们有额外的复杂性。在0°C时，我们可以看到大约16.5毫安的电流流过电阻式温度检测器，是理想最大值的两倍，我很好奇这是如何影响感测温度的。

如果从我上面所说的不明显，这不是RTD的推荐实现。这是一种使用电阻元件感测温度的标准方法，也是一种常见的解决方案，可以使用电阻更高的传感器，如NTC和PTC热敏电阻。我们把它放在这里只是为了教育目的。

此实现的电路板与您预期的一样简单，只添加了两个与项目模板板相比的额外组件。

再一次，对于RTD的实现来说，这是一个非常糟糕的想法。它本身会产生过多的热量，无法利用其精度和公差。将简单的分压器留给热敏电阻型设备。

RTD实施：基本惠斯通电桥

测量电阻最准确的方法之一是使用惠斯通电桥。惠斯通电桥使用电桥电路中的两个平衡支路来测量四个支路中一个电阻的未知电阻。如果这个未知电阻是一个像电阻式温度检测器这样的装置，我们可以对这个装置的电阻进行非常精确的测量。当电阻变化时，该电路提供一个电压变化，允许微控制器或其他监控设备测量未知元件的电阻（在本例中为电阻式温度检测器）。

我计划在主机板上使用一个微控制器，我们将在本系列的后面构建这些主板。这些将具有差分输入和连接到这些引脚的16位ADC。这意味着我们可以将惠斯通电桥直接连接到微控制器的差分ADC输入端。这并不能为我们提供像我们将在本文后面讨论的放大惠斯通电桥那样的精度。然而，这意味着我们也不会在系统中引入任何与放大器相关的误差或偏差，从而降低了设备的测试和工厂校准要求。这也给了我们一个机会来观察带有RTD传感器的惠斯通电桥的原始输出。

如果输出的分辨率足以满足应用，并且可以使用具有差分输入的ADC，则这是一个简单的实现。通过增加运算放大器或仪表放大器，惠斯通电桥的差分电压输出可以增加，提供更有用的电压，更适合于ADC的典型分辨率，并与没有差分输入的ADC兼容。

当惠斯通电桥完全平衡时，输出端的电压为零。因为这是一个平衡电路，我们需要使用高精度电阻来实现这一点。另外，因为这是作为一个温度传感器，我们需要使用低温系数电阻，以尽量减少误差。我使用的所有电阻器的公差为0.1%，温度系数为25ppm/°C。

对于如上设置的电阻式温度检测器，这意味着电桥在0°C的温度下保持平衡，因为电桥两侧在0°C时具有相同的电位。在传感器的最高感测温度约为150°C时，我们预计会看到约0.344 V的电位差。在-0.0℃的温度下，我们可以看到-0。请记住，这些电压值是相对的；我们实际上并没有在地上产生负电压。你会看到这是一个很小的电压范围。通过在电桥的“顶部”使用较小的电阻值，可以实现更大的范围。然而，这样做会超过我们希望流经电阻式温度检测器的电流量。在5V电源上串联一个额外的电阻器，可以通过减少总电流来对抗这种情况。

即使在温度感应范围内出现这种低电压变化，我希望在主板上使用的NXP Kinetis中的ADC仍然可以提供大约0.02°C的ADC分辨率。对于大多数实际应用来说，这是一个足够的分辨率。

你可能已经注意到，我给这个电路供电的电压是5伏，而不是我们在其他方面使用的干净的3.3伏。使用来自USB端口的5V电源为电路板供电，在输出端给我们多一点电压范围。因为惠斯通电桥是平衡的，任何共模噪声都会被电路自动抑制，因此，即使没有太多的板载滤波，USB电源上的一点点噪声也不是什么大问题。

您可能还注意到，这个板与模拟通道的顺序不同；把这些模拟输出放在一个新的堆栈上比较容易，因为我们将有超过10个模拟输入到微控制器。如果输入的顺序与文章中的顺序不同，则没有任何区别。

对于这个PCB，我已经把电桥的其他电阻元件放在电路板上热断路器的另一边。我不认为这些元件产生的任何热量会影响感测温度，而且它会使电路板与感温元件保持一致，始终保持在热断开范围内。

RTD实现：带误差补偿的运算放大器

那么，如果你的微控制器没有差分ADC，或者甚至没有高分辨率的ADC呢？为了获得最高的测量精度，我更喜欢使用24位或更好的模拟到数字转换器和可编程增益放大器内置。我们将在本文后面讨论这个选项。

虽然惠斯通电桥是测量未知电阻的极好方法，但电阻式温度检测器仍然存在一些非线性，这将影响测量结果。有一种替代的低成本原理图，我们可以用来测量电阻式温度检测器的电阻，也可以线性化传感器的输出，以提供更准确的测量。在下面所示的电路中，R4向RTD（R5）提供一个略低于1 mA的励磁电压。为了使输出线性化，R3提供一个随着温度升高而增加的励磁电流，这有助于补偿电阻式温度检测器元件的任何非线性。

为本示意图选择的部件旨在在0°C时提供1.65 V的输出；但是，由于需要使用标准值组件，我们最终得到的实际值有点偏差。目标是提供大约25 mV/°C的增益，因此在传感器的最大感应范围150°C时，我们通过提供3.3 V信号来最大化微控制器ADC的输入电压范围。实际上，当我们使用真实世界的元件时，在150°C时，我们将得到大约3.27V的输入电压。

这个电路应该在传感器的整个工作范围内为我们提供一个非常小的温度误差。

在这个电路中使用的运算放大器需要一个负电源，以便能够在我们将要测量的整个温度范围内感测和输出。如今，对于新来的或经验不足的工程师来说，负电压通常被认为有些“可怕”，但如果你只需要提供少量电流，就很容易产生负电压，就像我们这里所做的那样。在之前的项目文章中，我使用了TPS60403设备，效果非常好，在这里我将再次使用它，因为它是一种产生负电压的简单方法。

这给了我们一个很好的小电路板，实际上看起来它可以做一些事情，而我们的其他一些电路板上只有几个电阻。

RTD实现：带线性补偿的仪表放大器

虽然上述电路是一个很好的选择，以实现线性化的电阻式温度检测器在低成本，我们可以采取进一步的只是一个小的额外费用。通过将运算放大器改为仪表放大器，我们可以比在运算放大器上增加一个缓冲放大器更便宜地缓冲输入。仪器放大器有一个非常高的输入阻抗，所以它不会以任何可量化的方式来偏差传感器的测量值。

我们的电路与前面的设计非常相似，R3向RTD（R5）提供一个随温度升高而增加的偏置电流。R4提供约0.9毫安的额定励磁电流，如前所述，处于电阻式温度检测器的正确区域。

与之前的实现一样，我们还需要为仪表放大器生成一个负电源电压。我们将保持简单，并使用与运算放大器相同的负电压供应电路。

RTD实现：数字化惠斯通电桥

上面讨论的放大电路是一个很好的方法来观察和理解正在发生的事情，但是我们需要的附加电阻和放大器的数量会给我们的测量带来额外的误差和偏差。用于模数转换器（PGA-ADC）的可编程增益放大器基本上是同一个电路，它包含一个完整的ADC。然而，它的优势是工厂调整和补偿，提供更精确的放大和转换。我们在一个不可见的世界里，用一个不可见的组成部分来实现我们自己的理想。但潜在的是，这可能不太完美，这取决于我们使用哪种类型的放大器的电阻值。

数字化惠斯通电桥基本上与我们在基本电桥实现中使用的电路相同，只是电桥输出之间的去耦电容已被移除。相反，在ADC输入的滤波部分将有一个电容器。桥也不再直接接地，因为ADC有一个内部开关连接到地。这样可以确保所有连接都在ADC处终止。我还增加了一个去耦电容，C6，在5伏电源和电桥接地之间。

我使用的是德州仪器公司的ADS1220IPWR设备，这是我在惠斯通电桥公司使用的PGA-ADC。它是一个24位的ADC，它提供了这个应用所需的更高的分辨率。但是，我想看看它将提供的完整分辨率数据会很有趣。虽然数据表中包含了多个用于RTD的两线、三线和四线连接的实现示例，但我们不会在本例中使用这些示例中的任何一个。在本项目中，我们将简单地将惠斯通电桥的差分输出直接连接到输入端。由于ADS1220数据表中已详细记录了这些实现示例，因此我认为在这里重新演示它们没有任何好处。相反，我更感兴趣的是显示原始惠斯通电桥的读数，以便与前面讨论的电路进行直接比较。这样，我们就可以比较和对比它们的有效性。

对于连接到惠斯通电桥，ADC的示意图相当典型。我们将使用内部开关将REFN1连接到地上，ADC由5v（AVDD）供电，同时还提供5v参考输入（REFP1）。我们将运行电路板的温度变化将不包括任何实质性的瞬时温度变化或波动，因此我们可以实施一个合理的积极的滤波器，以消除任何共模噪声。

对于这个实现，我要保留两条芯片选择线。当我过去使用ADS1120时，我发现来自DRDY引脚的中断对于通知微控制器何时可以读取数据非常有用。使用这个特性比用“我们到了吗？”？我们到了吗？”。DRDY引脚允许我们在转换完成后立即从ADC读取读数，以确保数据上的时间戳尽可能准确。DRDY引脚的芯片选择线将简单地连接到我们用于该设备的微控制器上的中断输入线。

ADS1220的一个更便宜的替代品是ADS1120系列，它有相同的引脚和功能，但只有16位的分辨率。一个16位放大的ADC如这一系列的器件将足以满足典型的温度传感应用，并将大大超过探测器的能力。

其他选项：RTD转换器IC

除了通过从分压器或惠斯通电桥读取电压来测量温度外，我们还可以使用温度传感器放大器，就像我们将要看到的那样，用于热电偶。这些集成电路将为您提供数字温度输出，而不是电压电平，通常包括所有放大和补偿电路，您需要这些电路来提供传感器能够提供的最精确的温度测量。此选项的成本可能是一个重要因素，但使用PGA-ADC的成本也是一个重要因素，如上所述。使用PGA-ADC为本文提供了更好的学习体验和演示，因此我们将不再详细介绍RTD转换器IC。

摘要

尽管我们为我们的温度传感器系列的这一部分构建了四个不同的电路板，但我们只讨论了使用RTD传感器的许多不同方法中的一些。考虑两线、三线和四线传感器，以及用安装在板上的传感器实现这些原理图的能力，以及与RTD接口的各种不同方式。电阻式温度检测器（RTD）是一种用途更广的温度传感器之一，具有优良的精度和公差值，并且在某些设备上具有巨大的温度传感范围。

我已经说过好几次了，德州仪器ADS1220是我最喜欢的高分辨率ADC之一。假设您对使用rtd测量温度的其他拓扑感兴趣。在这种情况下ADS1220产品介绍实现了RTD的所有不同接线，如果ADS1220设备超出项目预算，您可以根据自己的ADC/放大需求进行调整。

您可以找到这些测试电路板的详细信息，以及所有其他温度传感器的实现 github. 这些电路板是在麻省理工学院的开源许可下发布的，所以欢迎您自己构建它们，在自己的项目中实现它们的电路，或者以任何您希望的方式使用它们。

如果你对温度传感器感兴趣，一定要看看本系列中的其他项目，因为你可能会找到一种比使用电阻式温度检测器（RTD）或其他适合你的项目的选择更便宜的替代品。在本系列文章的最后，您将看到所有不同传感器类型之间的比较，因此您可以直接比较不同传感器实现在不同条件下的性能。

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