各种温度测量技术及其优缺点

随着我们周围的世界自动化程度越来越高，各种数据的感测就变得越来越重要。虽然我们能够检测到比以往更多的参数，但准确感测温度水平的能力仍然是电子设计中最重要的任务之一。无论是我们生活的环境，我们烹饪食物的烤箱，还是我们自己的体温，温度信息在我们生活的几乎各个方面都很有价值。在工业应用中，监控和计算设备的温度可以通过保持最佳工作温度来实现早期故障检测或更长的工作寿命。测量温度的方法有好多种，每种方法都各有所长，分别适合不同的应用场景。本文将介绍三种最常用的温度测量方法：热敏电阻、热电偶和红外（IR）技术。

热敏电阻也是一种电阻，其电阻值可随着周围环境温度而变化，这种变化可以来自环境空气或与其接触的表面（或者甚至可能嵌入其中）。这些简单的装置由金属氧化物制成，通过将金属氧化物压入方便易用的珠子、圆盘或圆柱体，然后用环氧树脂或玻璃封装。根据所选择的材料不同，其电阻值可以随温度增加，即正温度系数（PTC）情况，或者岁温度上升而阻值减小，即负温度系数（NTC）情况。在温度测量应用中，NTC类型通常更受欢迎的组件，而PTC类型通常用作热熔丝（thermal fuses）。

从热敏电阻正面的角度看，它使用起来非常简单，购买成本低廉，本身坚固耐用，并能够以可预测的方式响应温度变化。虽然电阻变化是非线性的，但这种变化能够遵循为特定型号热敏电阻定义的曲线。热敏电阻也非常灵敏和精确，而且具有很高的稳定性。然而，它们不适合测量范围较宽的温度变化，并且通常仅在预期的“基础”温度附近相当窄的范围内工作，再加上其响应时间较慢，因而使其应用受到一些限制。

图1：NTC热敏电阻曲线示例，这里显示了电阻值和温度之间的关系。

热敏电阻的应用方式多种多样，可以用来测量环境温度，也能够粘合到表面或甚至嵌入到物体（例如散热器）内部以测量那里的温度。当粘合到物体表面或嵌入到物体内部时，热敏电阻是一种侵入式测量形式，这意味着它们的存在会对被测温度产生影响。在实际应用中，热敏电阻非常小，热质量（thermal mass）最小，在大多数应用中这很少成为问题。

热敏电阻可以是引线型，或者更常见的是表面贴装器件（SMD），例如村田制作所（Murata）的NCU15XH103D60RC，这是一款1.0mm x 0.5mm封装大小的NTC元件。该热敏电阻的标称电阻为10kΩ，工作温度在-40℃～+125℃。它适用于非常广泛的应用，尤其适用于电气/电子电路和温度敏感元件（如晶体管，IC和振荡器）等的温度补偿。随着电池供电技术的发展，这种类型的热敏电阻被用于监控可充电电池组在运行期间以及充电时的温度。

图2：村田制作所的NCU15XH103D60RC NTC热敏电阻。

热电偶

热电偶基本上包括由不同金属制成的两根电线，它们在一端连接在一起而在另一端分开。连接端的温度变化（称为“热”结）会在分开端（“冷”结）引起微小电压，其值与两个结之间的温差成比例。热电偶测量的是温度差值，因此必须知道冷端温度才可以计算热结的温度。顺便说一句，上述提到的术语“热”结和“冷”结是业界的习惯命名法，实际上热结的温度可能低于冷结的温度。一些人已经开始将连接端表示为“测量值”和“参考值”，以避免这种潜在的混淆。

热电偶的温度特征由所使用的电线决定，或者具体说，由制成电线的材料决定。每个热电偶都有一个字母名称，其中J，K和T最常见。 K型由两种镍合金（Chromel和Alumel）制成，其中包括铬、铝、锰和硅。差分温度与冷端电压之间的关系由测量得到的塞贝克系数（Seebeck coefficient）确定（mV/℃）。 R和S型热电偶具有较低塞贝克系数（<10），而更常见的热电偶类型（J，K，T和E）具有较高的塞贝克系数（> 40）。

热电偶的最大优势是可以覆盖非常宽的温度范围（通常为-200℃～+2500℃），因此可用于从航空电子设备到低温设备等多种环境。它们非常牢固，不受冲击或振动的影响。热电偶作为一种被动设备，它们本身也是安全的，因此可以部署在具有潜在爆炸性气体的危险环境。热电偶具有较低的热质量，这意味着它们能够快速响应快速变化的温度，通常不到一秒钟。但它们并非理想适用于所有应用，其中一个最大的挑战是产生的信号强度非常低，可能需要先进的信号调节来增强信噪比。由于热电偶是长导线，非常容易受到周围干扰影响，这可以通过将导线扭绞在一起或通过施加屏蔽层来降低干扰。而且这些导线也可能容易产生腐蚀。热电偶的另一个主要缺点是准确度稍差（通常误差在±1℃左右），这在测量相对较低的温度时是一个非常大的问题，但在测量诸如喷气发动机或火焰之类的高温时则完全足够。此外，热电偶的输出不是线性，但J和K型热电偶确实具有显著的（几乎）线性区域，这是它们非常受欢迎的一个原因。

一些设计工程师可能希望利用热电偶灵活性，但又不必进行颇具挑战性的信号处理，此时他们可以使用Microchip的MCP9600/L00。该器件可直接连接到热电偶（K，J，T，N，S，E，B或R型），并为热电偶电压提供所有必要的信号调理和非线性校正，通过100kHz双线I2C总线输出温度值。该器件适用于基于物联网的电池供电应用，工作电流仅为300μA，在关断模式下仅消耗2μA电流。每个单元内置四个寄存器，可以设置单独的温度警报。

热敏电阻和热电偶都是接触式测量，这意味着它们必须与被测量物体直接接触，在某些情况下，这可能不是很方便，而在其他某些情况下可能会影响测量结果，因为测量探头可以在其中散热。红外温度感测由于具备准确、可靠且坚固等特点，在医疗和工业等应用中越来越受欢迎，其工作原理是基于每一个物体都会发出热辐射，并根据Stefan-Boltzmann定律（黑体每单位表面积辐射的能量与其温度的四次方成正比）可以得到测量温度。

热电堆传感器采用一种薄的热隔离膜，连接到多个串联的微型热电偶。由于膜具有低热质量，可以快速加热 ，并随后进行测量。参考热敏电阻能够确定冷端的温度，从而可以生成绝对温度。为了使传感器小型化并应用于智能手机等便携式设备，经常采用MEMS架构。

采用这项技术的一款最新器件是Melexis公司的非接触式MLX90632微型红外传感器，该器件在出厂时已经过校准，适用于环境温度在-20℃～+85℃，被测物体温度在-20℃～+200℃的应用，测量的温度是传感器50°视场（FoV）内所有物体温度的平均值。该款Melexis器件集成有复杂的补偿算法，以确保始终能获得准确的测量结果。超小型传感器包含一个用于测量物体能量的热电堆，以及一个跟踪传感器本身温度水平的传感器元件。两个读数经过放大、数字化和数字滤波后被存储在RAM，然后通过I2C通信接口提供给更高级的系统（如微控制器）。

我们需要测量的温度可能只是一个基本参数，但也是最关键的参数之一。温度在控制我们的环境，保持机器设备的最佳性能，以及医疗保健应用等方面都非常重要。本文介绍的用于温度测量的各种方法（包括每种技术的优点和不足）和器件应该有助于工程师为其具体应用选择最佳方案。