1.2 TI 高精度实验室 - 温度传感器：温度传感器技术

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大家好！

欢迎观看 TI 高精度实验室

关于温度传感器技术的视频。

在本视频中， 我们将讨论

可用于测量温度的 各种技术，

以及每种技术的利弊。

有多种类型的传感器 可用于测量

应用中的温度。

最常用的技术是

基于硅集成电路的传感器、 热敏电阻、铂 RTD

和热电偶。

硅集成电路传感器 可用于各种应用，

因为这种材料

在温度范围内 具有极好的线性度。

另外一个优点是 这些器件在制造

过程中进行了修整，

因此不需要额外的

外部组件来校准输出。

尽管这些器件 用途广泛，

但受工作温度 范围的限制。

热敏电阻具有 成本低、体积小、

工作温度范围极宽等特性，

因此在过去常被人们使用。

然而，这种低成本 通常会带来较大的

温度测量误差。

RTD 可提供 最高级别的

温度测量精度。

它们通常用于 硅集成电路

和热敏电阻无法承受的 高温应用中。

其不利之处在于， 这些器件的

灵敏度非常低， 需要复杂的电路，

因此会增加电流消耗。

最后一种技术是热电偶。

在需要监测 极高温度的条件下，

这类器件是必不可少的。

此外，它们还可在整个 工作温度范围内

为输出提供 良好的线性度。

其不足之处在于， 对于许多用例，

这些器件需要 冷端补偿才能

达到更高的精度。

也许，我们在学校里 最早使用的

温度传感器之一 就是热敏电阻。

热敏电阻的电阻 随温度变化，

有两种类型：

具有负温度系数的 NTC

和具有正温度系数的 PTC。

器件电阻与 温度之间的差异

显示在屏幕右下角。

热敏电阻 具有多种封装、

电阻值和影响器件

成本的容差。

热敏电阻的最大缺点是

难以确定 实际的系统级精度，

因为热敏电阻的

容差和数据 只是激励和

将电阻转换为温度值的

许多分量中的一个。

关于热敏电阻， 特别是 NTC 热敏电阻，

需要注意的另一个问题 是它的非线性温度函数，

这会限制 高温下的灵敏度，

并增加软件 使输出曲线

线性化的工作量。

热敏电阻， 尤其是低成本的解决方案，

也存在因 冲击和湿度

导致电阻变化的 可靠性挑战。

正如我们在前一张 幻灯片中所提到的，

人们普遍存在一种误解， 即 1% 的热敏电阻

容差等同于 1% 的测量误差。

由于热敏电阻只是 测量系统中的一个组件，

因此设计人员 还必须考虑到偏置电阻、

基准电压、ADC 量化误差

和线性化误差。

掌握所有这些因素间的 相互关系对理解真正的

系统级精度非常重要。

右图显示了 当使用公共分压器方法时，

这些误差如何 单独影响

整体系统误差。

值得注意的是， 一些热敏电阻数据表

确实会给出 温度精度规格。

这通常具有误导性， 因为温度精度

通常是局限于 理想电路，

并且温度仅限定在 25 摄氏度。

该值成立的假定条件为 零漂移偏置电阻、

完美的基准、 一个 ADC，

且不包括线性化误差。

此高精度实验室 系列中的其他视频

也向您介绍了这些规格

以计算热敏电阻的误差。

RTD 是另一种 电阻式温度

传感器，由纯金属制成，

如铂、镍或铜。

由于这些材料 本身的性质，

使得它们 具有很容易

预测的电阻随温度变化性能。

对于更高精度的测量，

铂是通常被称为

PT100 和 PT1000 的传感器的

首选材料。

“PT”表示 RTD 金属为铂。

以下数字表示 RTD

在 0 摄氏度时的标称电阻。

铂 RTD 的优点是 它们具有

极高的精度和 可预测的随温度变化性能。

这些器件的热响应 具有极好的线性度。

随着时间的推移， 几乎没有任何漂移。

另外一个好处是 铂 RTD 还可以

在高达 600 摄氏度的 温度范围内工作。

RTD 的缺点是 电阻随温度的

变化很小。

这需要比 NTC

更复杂的电路。

这就需要 高精度基准、

高分辨率 ADC、 精密偏置电阻和放大器。

RTD 还需要 更审慎的设计和布局，

因为微小的迹线 不匹配也会极大地

影响测量结果。

通常，需要额外的校准 来消除测量电路

所增加的误差。

由于这些因素的存在，

RTD 通常是我们今天 所讨论的四种技术中

最昂贵的一种。

虽然 RTD 精度本身 符合 IEC 60751

定义的精度等级，

但由于需要 额外的组件，

这并不会转化为 精度测量误差。

RTD 也需要 考虑相同的因素，

因为它具有额外的

自发热系数。

该因素也必须予以考虑，

因为与其他 传感器相比，

激励电流通常会非常高。

与 RTD 本身的 精度相比，

由此产生的 测量误差

可能相当大。

并且必须加入补偿 以减少任何

添加的误差。

除了来自周围 电路的误差之外，

还必须注意 RTD 不是完全线性的，

必须使用 Callendar-Van Dusen 方程进行校正。

由于热电塞贝克效应，

热电偶产生与 温度相关的电压。

该电压转换为

热端和冷端之间的温差。

热电偶 可承受超过

2,000 摄氏度的 温度，可用于

对其他温度 传感器而言

过于苛刻的应用中。

与电阻传感器相比， 它们相对稳定，

并且成本低于 RTD。

然而，热电偶 确实需要一个

额外的温度 传感器作为

冷端补偿的参考。

冷端补偿温度 传感器的精度

将直接影响

热电偶的误差。

同样重要的是 要考虑热电偶

连接到 PCB 上的 铜迹线时

产生的寄生结， 因为不同的金属确实

会产生自己的塞贝克效应。

硅温度传感器 依赖于硅带隙的

温度依赖性。

通常，多个电流 通过一个 P-N 结。

并且基极-发射极 电压的增量

可用来计算温度。

硅温度传感器 通过将所有组件

集成到一个封装中 提供最简单的

温度测量解决方案。

由于集成了一切组件， 因此几乎不需要

额外的电路。

硅温度传感器 具有很高的

线性输出，可减少 软件线性化的工作量，

或具有数字接口， 可提供诸如

I2C 或 SPI 之类的 跨标准接口

直接温度读数。

硅温度传感器的 精度高达

正负 0.1 摄氏度， 其性能与

AA 级 RTD 相当。

这些传感器可在 整个工作温度

范围内保证精度，

并且随着时间的推移， 几乎没有任何漂移。

硅传感器还提供 比任何可用温度

传感技术都低的功耗，

以及表面贴装阵列

和通孔封装选项。

广泛的硅温度 传感器封装

和精度选择使得 解决方案针对任何

所需性能水平 在价格上都具有

可比性。

然而，这些 器件的缺点是，

它们不适合 在极端温度下

工作的应用， 并且提供比热敏电阻

更少的引线选项。

如您所知， 有许多不同类型的

温度传感器。

硅温度传感器的种类 也可进一步细分。

本地传感器是最常见的类型， 其提供器件

本身的温度读数。

这类器件可用于 模拟输出，

具有各种增益选项 或采用 I2C 和 SPI 等

标准数字接口的 集成 ADC。

理解远程温度 传感器的最佳方式

是它们是多通道 温度传感器。

每个远程温度传感器 都包含一个

本地温度传感器，

但它也能够测量 系统中其他

位置的 p-n 结。

p-n 结可以是 二极管或热敏电阻。

通常，FPGA 或处理器

会提供连接到 FPGA 本身中 二极管的引脚，

以使远程温度 传感器能够

直接读取 FPGA 的温度。

温度开关， 有时被称为“恒温器”，

是在设计中添加 温度保护的

最简单方法。

您可以把它们看作 是一个温度比较器，

当温度超过设定的 阈值时，输出就会

切换。

硅温度传感器 还具有

专门设计的接口，

可以轻松地 连接长达 300 米的

长电缆。

硅温度传感器的 最大优点是

易于集成。

其他测量功能 通常与这些传感器集成，

以简化离散方法，

并为一系列传感方法 提供高精度。

例如湿度、电流 和功率监测，

以及我们高度集成的器件，

除了测量温度外， 它们还提供

完整的系统监测 和风扇控制。

感谢您观看 我们的高精度实验室系列中

有关温度传感概述的视频。

请务必观看 一些有关温度

传感主题更多 详细信息的其他视频。

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关于温度传感器技术的视频。

在本视频中， 我们将讨论

可用于测量温度的 各种技术，

以及每种技术的利弊。

有多种类型的传感器 可用于测量

应用中的温度。

最常用的技术是

基于硅集成电路的传感器、 热敏电阻、铂 RTD

和热电偶。

硅集成电路传感器 可用于各种应用，

因为这种材料

在温度范围内 具有极好的线性度。

另外一个优点是 这些器件在制造

过程中进行了修整，

因此不需要额外的

外部组件来校准输出。

尽管这些器件 用途广泛，

但受工作温度 范围的限制。

热敏电阻具有 成本低、体积小、

工作温度范围极宽等特性，

因此在过去常被人们使用。

然而，这种低成本 通常会带来较大的

温度测量误差。

RTD 可提供 最高级别的

温度测量精度。

它们通常用于 硅集成电路

和热敏电阻无法承受的 高温应用中。

其不利之处在于， 这些器件的

灵敏度非常低， 需要复杂的电路，

因此会增加电流消耗。

最后一种技术是热电偶。

在需要监测 极高温度的条件下，

这类器件是必不可少的。

此外，它们还可在整个 工作温度范围内

为输出提供 良好的线性度。

其不足之处在于， 对于许多用例，

这些器件需要 冷端补偿才能

达到更高的精度。

也许，我们在学校里 最早使用的

温度传感器之一 就是热敏电阻。

热敏电阻的电阻 随温度变化，

有两种类型：

具有负温度系数的 NTC

和具有正温度系数的 PTC。

器件电阻与 温度之间的差异

显示在屏幕右下角。

热敏电阻 具有多种封装、

电阻值和影响器件

成本的容差。

热敏电阻的最大缺点是

难以确定 实际的系统级精度，

因为热敏电阻的

容差和数据 只是激励和

将电阻转换为温度值的

许多分量中的一个。

关于热敏电阻， 特别是 NTC 热敏电阻，

需要注意的另一个问题 是它的非线性温度函数，

这会限制 高温下的灵敏度，

并增加软件 使输出曲线

线性化的工作量。

热敏电阻， 尤其是低成本的解决方案，

也存在因 冲击和湿度

导致电阻变化的 可靠性挑战。

正如我们在前一张 幻灯片中所提到的，

人们普遍存在一种误解， 即 1% 的热敏电阻

容差等同于 1% 的测量误差。

由于热敏电阻只是 测量系统中的一个组件，

因此设计人员 还必须考虑到偏置电阻、

基准电压、ADC 量化误差

和线性化误差。

掌握所有这些因素间的 相互关系对理解真正的

系统级精度非常重要。

右图显示了 当使用公共分压器方法时，

这些误差如何 单独影响

整体系统误差。

值得注意的是， 一些热敏电阻数据表

确实会给出 温度精度规格。

这通常具有误导性， 因为温度精度

通常是局限于 理想电路，

并且温度仅限定在 25 摄氏度。

该值成立的假定条件为 零漂移偏置电阻、

完美的基准、 一个 ADC，

且不包括线性化误差。

此高精度实验室 系列中的其他视频

也向您介绍了这些规格

以计算热敏电阻的误差。

RTD 是另一种 电阻式温度

传感器，由纯金属制成，

如铂、镍或铜。

由于这些材料 本身的性质，

使得它们 具有很容易

预测的电阻随温度变化性能。

对于更高精度的测量，

铂是通常被称为

PT100 和 PT1000 的传感器的

首选材料。

“PT”表示 RTD 金属为铂。

以下数字表示 RTD

在 0 摄氏度时的标称电阻。

铂 RTD 的优点是 它们具有

极高的精度和 可预测的随温度变化性能。

这些器件的热响应 具有极好的线性度。

随着时间的推移， 几乎没有任何漂移。

另外一个好处是 铂 RTD 还可以

在高达 600 摄氏度的 温度范围内工作。

RTD 的缺点是 电阻随温度的

变化很小。

这需要比 NTC

更复杂的电路。

这就需要 高精度基准、

高分辨率 ADC、 精密偏置电阻和放大器。

RTD 还需要 更审慎的设计和布局，

因为微小的迹线 不匹配也会极大地

影响测量结果。

通常，需要额外的校准 来消除测量电路

所增加的误差。

由于这些因素的存在，

RTD 通常是我们今天 所讨论的四种技术中

最昂贵的一种。

虽然 RTD 精度本身 符合 IEC 60751

定义的精度等级，

但由于需要 额外的组件，

这并不会转化为 精度测量误差。

RTD 也需要 考虑相同的因素，

因为它具有额外的

自发热系数。

该因素也必须予以考虑，

因为与其他 传感器相比，

激励电流通常会非常高。

与 RTD 本身的 精度相比，

由此产生的 测量误差

可能相当大。

并且必须加入补偿 以减少任何

添加的误差。

除了来自周围 电路的误差之外，

还必须注意 RTD 不是完全线性的，

必须使用 Callendar-Van Dusen 方程进行校正。

由于热电塞贝克效应，

热电偶产生与 温度相关的电压。

该电压转换为

热端和冷端之间的温差。

热电偶 可承受超过

2,000 摄氏度的 温度，可用于

对其他温度 传感器而言

过于苛刻的应用中。

与电阻传感器相比， 它们相对稳定，

并且成本低于 RTD。

然而，热电偶 确实需要一个

额外的温度 传感器作为

冷端补偿的参考。

冷端补偿温度 传感器的精度

将直接影响

热电偶的误差。

同样重要的是 要考虑热电偶

连接到 PCB 上的 铜迹线时

产生的寄生结， 因为不同的金属确实

会产生自己的塞贝克效应。

硅温度传感器 依赖于硅带隙的

温度依赖性。

通常，多个电流 通过一个 P-N 结。

并且基极-发射极 电压的增量

可用来计算温度。

硅温度传感器 通过将所有组件

集成到一个封装中 提供最简单的

温度测量解决方案。

由于集成了一切组件， 因此几乎不需要

额外的电路。

硅温度传感器 具有很高的

线性输出，可减少 软件线性化的工作量，

或具有数字接口， 可提供诸如

I2C 或 SPI 之类的 跨标准接口

直接温度读数。

硅温度传感器的 精度高达

正负 0.1 摄氏度， 其性能与

AA 级 RTD 相当。

这些传感器可在 整个工作温度

范围内保证精度，

并且随着时间的推移， 几乎没有任何漂移。

硅传感器还提供 比任何可用温度

传感技术都低的功耗，

以及表面贴装阵列

和通孔封装选项。

广泛的硅温度 传感器封装

和精度选择使得 解决方案针对任何

所需性能水平 在价格上都具有

可比性。

然而，这些 器件的缺点是，

它们不适合 在极端温度下

工作的应用， 并且提供比热敏电阻

更少的引线选项。

如您所知， 有许多不同类型的

温度传感器。

硅温度传感器的种类 也可进一步细分。

本地传感器是最常见的类型， 其提供器件

本身的温度读数。

这类器件可用于 模拟输出，

具有各种增益选项 或采用 I2C 和 SPI 等

标准数字接口的 集成 ADC。

理解远程温度 传感器的最佳方式

是它们是多通道 温度传感器。

每个远程温度传感器 都包含一个

本地温度传感器，

但它也能够测量 系统中其他

位置的 p-n 结。

p-n 结可以是 二极管或热敏电阻。

通常，FPGA 或处理器

会提供连接到 FPGA 本身中 二极管的引脚，

以使远程温度 传感器能够

直接读取 FPGA 的温度。

温度开关， 有时被称为“恒温器”，

是在设计中添加 温度保护的

最简单方法。

您可以把它们看作 是一个温度比较器，

当温度超过设定的 阈值时，输出就会

切换。

硅温度传感器 还具有

专门设计的接口，

可以轻松地 连接长达 300 米的

长电缆。

硅温度传感器的 最大优点是

易于集成。

其他测量功能 通常与这些传感器集成，

以简化离散方法，

并为一系列传感方法 提供高精度。

例如湿度、电流 和功率监测，

以及我们高度集成的器件，

除了测量温度外， 它们还提供

完整的系统监测 和风扇控制。

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有关温度传感概述的视频。

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传感主题更多 详细信息的其他视频。