各種溫度測(cè)量技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)

隨著我們周?chē)氖澜缱詣?dòng)化程度越來(lái)越高，各種數(shù)據(jù)的感測(cè)就變得越來(lái)越重要。雖然我們能夠檢測(cè)到比以往更多的參數(shù)，但準(zhǔn)確感測(cè)溫度水平的能力仍然是電子設(shè)計(jì)中最重要的任務(wù)之一。無(wú)論是我們生活的環(huán)境，我們烹飪食物的烤箱，還是我們自己的體溫，溫度信息在我們生活的幾乎各個(gè)方面都很有價(jià)值。在工業(yè)應(yīng)用中，監(jiān)控和計(jì)算設(shè)備的溫度可以通過(guò)保持最佳工作溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)早期故障檢測(cè)或更長(zhǎng)的工作壽命。測(cè)量溫度的方法有好多種，每種方法都各有所長(zhǎng)，分別適合不同的應(yīng)用場(chǎng)景。本文將介紹三種最常用的溫度測(cè)量方法：熱敏電阻、熱電偶和紅外（IR）技術(shù)。

熱敏電阻也是一種電阻，其電阻值可隨著周?chē)h(huán)境溫度而變化，這種變化可以來(lái)自環(huán)境空氣或與其接觸的表面（或者甚至可能嵌入其中）。這些簡(jiǎn)單的裝置由金屬氧化物制成，通過(guò)將金屬氧化物壓入方便易用的珠子、圓盤(pán)或圓柱體，然后用環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃封裝。根據(jù)所選擇的材料不同，其電阻值可以隨溫度增加，即正溫度系數(shù)（PTC）情況，或者歲溫度上升而阻值減小，即負(fù)溫度系數(shù)（NTC）情況。在溫度測(cè)量應(yīng)用中，NTC類(lèi)型通常更受歡迎的組件，而PTC類(lèi)型通常用作熱熔絲（thermal fuses）。

從熱敏電阻正面的角度看，它使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單，購(gòu)買(mǎi)成本低廉，本身堅(jiān)固耐用，并能夠以可預(yù)測(cè)的方式響應(yīng)溫度變化。雖然電阻變化是非線性的，但這種變化能夠遵循為特定型號(hào)熱敏電阻定義的曲線。熱敏電阻也非常靈敏和精確，而且具有很高的穩(wěn)定性。然而，它們不適合測(cè)量范圍較寬的溫度變化，并且通常僅在預(yù)期的“基礎(chǔ)”溫度附近相當(dāng)窄的范圍內(nèi)工作，再加上其響應(yīng)時(shí)間較慢，因而使其應(yīng)用受到一些限制。

圖1：NTC熱敏電阻曲線示例，這里顯示了電阻值和溫度之間的關(guān)系。

熱敏電阻的應(yīng)用方式多種多樣，可以用來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度，也能夠粘合到表面或甚至嵌入到物體（例如散熱器）內(nèi)部以測(cè)量那里的溫度。當(dāng)粘合到物體表面或嵌入到物體內(nèi)部時(shí)，熱敏電阻是一種侵入式測(cè)量形式，這意味著它們的存在會(huì)對(duì)被測(cè)溫度產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用中，熱敏電阻非常小，熱質(zhì)量（thermal mass）最小，在大多數(shù)應(yīng)用中這很少成為問(wèn)題。

熱敏電阻可以是引線型，或者更常見(jiàn)的是表面貼裝器件（SMD），例如村田制作所（Murata）的NCU15XH103D60RC，這是一款1.0mm x 0.5mm封裝大小的NTC元件。該熱敏電阻的標(biāo)稱電阻為10kΩ，工作溫度在-40℃～+125℃。它適用于非常廣泛的應(yīng)用，尤其適用于電氣/電子電路和溫度敏感元件（如晶體管，IC和振蕩器）等的溫度補(bǔ)償。隨著電池供電技術(shù)的發(fā)展，這種類(lèi)型的熱敏電阻被用于監(jiān)控可充電電池組在運(yùn)行期間以及充電時(shí)的溫度。

圖2：村田制作所的NCU15XH103D60RC NTC熱敏電阻。

熱電偶

熱電偶基本上包括由不同金屬制成的兩根電線，它們?cè)谝欢诉B接在一起而在另一端分開(kāi)。連接端的溫度變化（稱為“熱”結(jié)）會(huì)在分開(kāi)端（“冷”結(jié)）引起微小電壓，其值與兩個(gè)結(jié)之間的溫差成比例。熱電偶測(cè)量的是溫度差值，因此必須知道冷端溫度才可以計(jì)算熱結(jié)的溫度。順便說(shuō)一句，上述提到的術(shù)語(yǔ)“熱”結(jié)和“冷”結(jié)是業(yè)界的習(xí)慣命名法，實(shí)際上熱結(jié)的溫度可能低于冷結(jié)的溫度。一些人已經(jīng)開(kāi)始將連接端表示為“測(cè)量值”和“參考值”，以避免這種潛在的混淆。

熱電偶的溫度特征由所使用的電線決定，或者具體說(shuō)，由制成電線的材料決定。每個(gè)熱電偶都有一個(gè)字母名稱，其中J，K和T最常見(jiàn)。 K型由兩種鎳合金（Chromel和Alumel）制成，其中包括鉻、鋁、錳和硅。差分溫度與冷端電壓之間的關(guān)系由測(cè)量得到的塞貝克系數(shù)（Seebeck coefficient）確定（mV/℃）。 R和S型熱電偶具有較低塞貝克系數(shù)（<10），而更常見(jiàn)的熱電偶類(lèi)型（J，K，T和E）具有較高的塞貝克系數(shù)（> 40）。

熱電偶的最大優(yōu)勢(shì)是可以覆蓋非常寬的溫度范圍（通常為-200℃～+2500℃），因此可用于從航空電子設(shè)備到低溫設(shè)備等多種環(huán)境。它們非常牢固，不受沖擊或振動(dòng)的影響。熱電偶作為一種被動(dòng)設(shè)備，它們本身也是安全的，因此可以部署在具有潛在爆炸性氣體的危險(xiǎn)環(huán)境。熱電偶具有較低的熱質(zhì)量，這意味著它們能夠快速響應(yīng)快速變化的溫度，通常不到一秒鐘。但它們并非理想適用于所有應(yīng)用，其中一個(gè)最大的挑戰(zhàn)是產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度非常低，可能需要先進(jìn)的信號(hào)調(diào)節(jié)來(lái)增強(qiáng)信噪比。由于熱電偶是長(zhǎng)導(dǎo)線，非常容易受到周?chē)蓴_影響，這可以通過(guò)將導(dǎo)線扭絞在一起或通過(guò)施加屏蔽層來(lái)降低干擾。而且這些導(dǎo)線也可能容易產(chǎn)生腐蝕。熱電偶的另一個(gè)主要缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度稍差（通常誤差在±1℃左右），這在測(cè)量相對(duì)較低的溫度時(shí)是一個(gè)非常大的問(wèn)題，但在測(cè)量諸如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或火焰之類(lèi)的高溫時(shí)則完全足夠。此外，熱電偶的輸出不是線性，但J和K型熱電偶確實(shí)具有顯著的（幾乎）線性區(qū)域，這是它們非常受歡迎的一個(gè)原因。

一些設(shè)計(jì)工程師可能希望利用熱電偶靈活性，但又不必進(jìn)行頗具挑戰(zhàn)性的信號(hào)處理，此時(shí)他們可以使用Microchip的MCP9600/L00。該器件可直接連接到熱電偶（K，J，T，N，S，E，B或R型），并為熱電偶電壓提供所有必要的信號(hào)調(diào)理和非線性校正，通過(guò)100kHz雙線I2C總線輸出溫度值。該器件適用于基于物聯(lián)網(wǎng)的電池供電應(yīng)用，工作電流僅為300μA，在關(guān)斷模式下僅消耗2μA電流。每個(gè)單元內(nèi)置四個(gè)寄存器，可以設(shè)置單獨(dú)的溫度警報(bào)。

熱敏電阻和熱電偶都是接觸式測(cè)量，這意味著它們必須與被測(cè)量物體直接接觸，在某些情況下，這可能不是很方便，而在其他某些情況下可能會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，因?yàn)闇y(cè)量探頭可以在其中散熱。紅外溫度感測(cè)由于具備準(zhǔn)確、可靠且堅(jiān)固等特點(diǎn)，在醫(yī)療和工業(yè)等應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎，其工作原理是基于每一個(gè)物體都會(huì)發(fā)出熱輻射，并根據(jù)Stefan-Boltzmann定律（黑體每單位表面積輻射的能量與其溫度的四次方成正比）可以得到測(cè)量溫度。

熱電堆傳感器采用一種薄的熱隔離膜，連接到多個(gè)串聯(lián)的微型熱電偶。由于膜具有低熱質(zhì)量，可以快速加熱 ，并隨后進(jìn)行測(cè)量。參考熱敏電阻能夠確定冷端的溫度，從而可以生成絕對(duì)溫度。為了使傳感器小型化并應(yīng)用于智能手機(jī)等便攜式設(shè)備，經(jīng)常采用MEMS架構(gòu)。

采用這項(xiàng)技術(shù)的一款最新器件是Melexis公司的非接觸式MLX90632微型紅外傳感器，該器件在出廠時(shí)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，適用于環(huán)境溫度在-20℃～+85℃，被測(cè)物體溫度在-20℃～+200℃的應(yīng)用，測(cè)量的溫度是傳感器50°視場(chǎng)（FoV）內(nèi)所有物體溫度的平均值。該款Melexis器件集成有復(fù)雜的補(bǔ)償算法，以確保始終能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。超小型傳感器包含一個(gè)用于測(cè)量物體能量的熱電堆，以及一個(gè)跟蹤傳感器本身溫度水平的傳感器元件。兩個(gè)讀數(shù)經(jīng)過(guò)放大、數(shù)字化和數(shù)字濾波后被存儲(chǔ)在RAM，然后通過(guò)I2C通信接口提供給更高級(jí)的系統(tǒng)（如微控制器）。

我們需要測(cè)量的溫度可能只是一個(gè)基本參數(shù)，但也是最關(guān)鍵的參數(shù)之一。溫度在控制我們的環(huán)境，保持機(jī)器設(shè)備的最佳性能，以及醫(yī)療保健應(yīng)用等方面都非常重要。本文介紹的用于溫度測(cè)量的各種方法（包括每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足）和器件應(yīng)該有助于工程師為其具體應(yīng)用選擇最佳方案。