常用溫度傳感器的對(duì)比分析及選擇

1、常用溫度傳感器的對(duì)比分析及選擇大致的要點(diǎn)：1溫度傳感器概述：應(yīng)用領(lǐng)域，重要性；2四種主要的溫度傳感器類型的橫向比較3熱電偶傳感器4熱電阻傳感器5熱敏電阻傳感器6集成電路溫度傳感器以及典型產(chǎn)品舉例7溫度傳感器的正確選擇及應(yīng)用在各種各樣的測(cè)量技術(shù)中，溫度的測(cè)量可能是最為常見的一種，因?yàn)槿魏蔚膽?yīng)用領(lǐng)域，掌握溫度的確切數(shù)值，了解溫度與實(shí)際狀態(tài)之間的差異等，都具有極為重要的意義。就以測(cè)量為例，在力的測(cè)量，壓力，流量，位置及電平高低等測(cè)量的過程中，為了提高測(cè)量精度，通常都會(huì)要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視，如壓力或力的測(cè)量，往往是使用惠斯登電阻電橋，但組成電橋的電阻隨溫度變化引起的誤差，往往會(huì)大大超過待測(cè)力引起的電阻值

2、變化，如不對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控并據(jù)此校正測(cè)量結(jié)果，則測(cè)量完全不可能進(jìn)行或者毫無效果。其他參數(shù)測(cè)量也有類似問題，可以說，各種的物理量都是溫度的函數(shù)，要得到精確的測(cè)定結(jié)果，必須針對(duì)溫度的變化，作出精確的校正。本文就是幫助讀者針對(duì)特定的用途，選擇最為合適的溫度傳感器，并進(jìn)行精確的溫度測(cè)量。工業(yè)上常用的溫度傳感器有四類：即熱電偶、熱電阻、熱敏電阻及集成電路溫度傳感器；每一類溫度傳感器有自己獨(dú)特的溫度測(cè)量范圍，有自己適用的溫度環(huán)境；沒有一種溫度傳感器可以通用于所有的用途：熱電偶的可測(cè)溫度范圍最寬，而熱電阻的測(cè)量線性度最優(yōu)，熱敏電阻的測(cè)量精度最高。表1是四類傳感器的各自獨(dú)特的性能特性及相互比較。表2是四類傳感器

3、的典型應(yīng)用領(lǐng)域。婷電阻RTD熾敏咀列割虛電席熱戦牧S-270一1&DCC-25000勺-toot-ISOC-55-150XStlilRKdt*s十jivrc0.00305Si/Ce-fQ/Qi,!BCa決*工藝直術(shù)黑敬匱可鎚rpv/C測(cè)徂和度L5Poorc0.1ftC*19am霍IE產(chǎn)宦JE畫覬第嗨或或BL奪玻的閃飆擁就！S至少楚二次窘卬式成是苓魄的對(duì)掘蓋箱鑒至少54三慶弭項(xiàng)式K桃言十UM內(nèi)無箱嫂性住ae熱怎惶城徑較WL便赴科傳岳樓較為盤實(shí).加之岸莊:進(jìn)境陵沌一步曲聲It強(qiáng)厘3電陰犢界國篁哉両嘶?壬畫耀血于比類鵲雪31雜逵妊$4晟帕雅針駅怕格1。一50臺(tái)運(yùn)0-EOOO鼻元2-I口箕沅*1DSE

4、re&I將收電陰.業(yè)上最需用的四=宛恥廈估isau注有一馨淫it傳吞的呵取硏韋應(yīng)用躲載-的豊屯建范出垠養(yǎng)陽電陰協(xié)堰性喙廚口捕牧帝昭的弼図祁龍曜離麗軒舷且瓏鵝麼傳藝弱到可應(yīng)實(shí)現(xiàn)群宏議在電弗円并禹圃液鼻莠淮出承怖欝皿練站IST-*QWli-T-l?inT3ri熱電偶-通用而經(jīng)濟(jì)熱電偶由二根不同的金屬線材，將它們一端焊接在一起構(gòu)成，如圖1所示；參考端溫度（也稱冷補(bǔ)償端）用來消除鐵-銅相聯(lián)及康銅-銅聯(lián)接端所貢獻(xiàn)的誤差；而兩種不同金屬的焊接端放置于需要測(cè)量溫度的目標(biāo)上。兩種材料這樣聯(lián)接后會(huì)在未焊接的一端產(chǎn)生一個(gè)電壓，電壓數(shù)值是所有聯(lián)接端溫度的函數(shù)，熱電偶無需電壓或電流激勵(lì)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果試圖提供電壓或

5、電流激勵(lì)反而會(huì)將誤差引進(jìn)系統(tǒng)。鑒于熱電偶的電壓產(chǎn)生于兩種不同線材的開路端，其與外界的接口似乎可通過直接測(cè)量兩導(dǎo)線之間的電壓實(shí)現(xiàn)；如果熱電偶的的兩端頭不是聯(lián)接至另外金屬，通常是銅，那末事情真會(huì)簡(jiǎn)單至此。但熱電偶需與另外一種金屬聯(lián)接這一事實(shí)，實(shí)際上又建立了新的一對(duì)熱電偶，在系統(tǒng)中引入了極大的誤差，消除此誤差的唯一辦法是檢測(cè)參考端的溫度（參見圖1），以硬件或硬件-軟件相結(jié)合的方式將這一聯(lián)接所貢獻(xiàn)的誤差減掉，純硬件消除技術(shù)由于線性化校正的因素，比軟件-硬件相結(jié)合技術(shù)受限制更大。一般情況下，參考端溫度的精確檢測(cè)用熱電阻，熱敏電阻或是集成電路溫度傳感器進(jìn)行。原則上說，熱電偶可由任意的兩種不同金屬構(gòu)建而成，

6、但在實(shí)踐中，構(gòu)成熱電偶的兩種金屬組合已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)組合的線性度及所產(chǎn)生的電壓與溫度的關(guān)系更趨理想。表與圖是常用的熱電偶的特性。髦翼ex曰円兔礙E特-ZOOtD9K9eouv/cn立.ktcJ-jmOto陽SiiiV/CBV.IWsHM*TR-ZWto37140mVCJR1L強(qiáng)-導(dǎo)直電FataKi*nlata-200k124I40pVCHIMI-rpbtjcp/M0V/Ciit5TJTTTfrnu亠nDio轆陽12|1VCtugjE/3w-tTinJIOOC200030C04000環(huán)驍渥度軍氏）5000ffi2煥電偶柱寫廣的溫Jg范0S內(nèi)均十牛靈敏.使之適用于備種惡黔環(huán)壌下的渦度測(cè)娜熱電偶

7、是一種高度非線性器件，需作大力線性化算法處置。表3的西貝克系數(shù)是某種熱電偶在規(guī)定溫度下的平均飄移。熱電偶交貨時(shí)，其性能由制造商按標(biāo)準(zhǔn)保證（此標(biāo)準(zhǔn)已被采納），標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熱電偶的溫度特性以及所用原材料的品質(zhì)。與熱電阻，熱敏電阻及集成電路硅傳感器相比，熱電偶的非線性極其嚴(yán)重，因此，在電路部分,必須進(jìn)行復(fù)雜的算法處理，表所示是復(fù)雜算法的一個(gè)實(shí)例，這是型熱電偶的溫度系數(shù)，可將其在度至度范圍內(nèi)予以線性化，這些系數(shù)應(yīng)用于以下方程：式中：是熱電偶兩端的電壓;是溫度1.7600413-686X10253.39212W975XW*2C21.5558770032XW&-9.945759?&74x10s1040945

8、19XlO19=5-5.6072B448S9x10lS5.6Q75C59G59X=7.-X2020720Q03K10CS.7151147152x10-1.2104721275K102t表4叢列是K型熬電憐的嘉fib可陽于0-H72）攝氏茂逞癢范固內(nèi)對(duì)揄出溫度作線性世處珪.所強(qiáng)各乘JS%閤于握性北方程中.另一種這些復(fù)雜計(jì)算方法的應(yīng)用是在處理程序中制作一張對(duì)照表，這樣一張表所列的型熱電偶的系數(shù)計(jì)算對(duì)照表是-組陣列的十進(jìn)制數(shù)，范圍為-除此之外，熱電偶由于與參考溫度之間有一定的函數(shù)關(guān)系，它能確定溫度的數(shù)值，（參考溫度定義為熱電偶導(dǎo)線相對(duì)其焊接端的遠(yuǎn)端端頭溫度，通常用熱電阻，熱敏電阻或硅集成電路傳感器測(cè)

9、定）。與熱電阻，熱敏電阻相比，熱電偶的熱質(zhì)量較小，因此其響應(yīng)速度較快。這種溫度傳感器由于其寬廣的溫度檢測(cè)范圍，在一些惡劣環(huán)境下幾乎成為獨(dú)一無二的選擇。熱電偶誤差分析熱電偶比較其他溫度傳感器的成本低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，體積小；但材料所受的任何應(yīng)力，如彎曲，拉伸，壓縮均可改變熱梯度特性；此外，腐蝕介質(zhì)可穿透其絕緣外皮，引起其熱力學(xué)特性的改變，給熱電偶加一保護(hù)性管殼，如陶瓷管以作高溫保護(hù)是可行的，金屬熱阱也可提供機(jī)械保護(hù)。熱電偶電壓沿兩種不同金屬的長度方向上存在電壓降，但這并不意味著長度較短的熱電偶與長度較大的熱電偶相比，肯定會(huì)有不同的西貝克系數(shù)。線材長度短，當(dāng)然會(huì)使溫度梯度陡峻，但從導(dǎo)電效應(yīng)來看，線材長

10、度較大的熱電偶卻有它自己的優(yōu)點(diǎn)，這時(shí)溫度梯度是會(huì)小些，但導(dǎo)電損失也減?。坏珡拈L導(dǎo)線的負(fù)面效應(yīng)來看，長線材熱電偶的輸出電壓小，增加了后續(xù)信號(hào)調(diào)理電路的負(fù)擔(dān)。除了輸出信號(hào)小之外，器件的線性度差需要大額度的校準(zhǔn)，通常是以硬件與軟件實(shí)現(xiàn)，如以硬件實(shí)現(xiàn)，需要一絕對(duì)溫度參考用作為冷端參考，如以軟件實(shí)現(xiàn)，則以對(duì)照表或多項(xiàng)式計(jì)算以減小熱電偶誤差。最后，電磁干擾會(huì)耦合進(jìn)這雙線系統(tǒng)；小線規(guī)線材可用作高溫檢測(cè)，壽命也會(huì)長些，但如果靈敏度成為最重要因素，則大線規(guī)線材的測(cè)量性能好些。總起來講，熱電偶由于可測(cè)溫度范圍大，機(jī)械強(qiáng)度高，及價(jià)格低，成為溫度測(cè)量的常選。高精度系統(tǒng)要求的線性度及準(zhǔn)確度，要實(shí)現(xiàn)并不容易。如果精度要求

11、更高，則應(yīng)選擇其他的溫度傳感器。熱電阻熱電偶的絕對(duì)替代器件熱電阻測(cè)溫元件的技術(shù)在持續(xù)不斷地改進(jìn)，溫度測(cè)量的質(zhì)量在不斷提高，但要真正實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的溫度測(cè)量系統(tǒng)，熱電阻的器件選擇仍然極為重要。熱電阻系一電阻性的元件，由金屬制成，如鉑，鎳，銅等，所選金屬必須具有可以預(yù)測(cè)的電阻值隨溫度變化的特性，其物理性能要易于加工制造，電阻溫度系數(shù)必須足夠大，使其電阻隨溫度的改變易于準(zhǔn)確測(cè)量。其他的溫度檢測(cè)器件，如熱電偶，并不能讓設(shè)計(jì)人員有一種相當(dāng)線性的電阻隨溫度變化特性，而熱電阻這種線性度極好的電阻溫度特性，大大簡(jiǎn)化了信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)制作。圖5所示系熱電阻的溫度電阻特性，其中又以鉑電阻在三種金屬中具有最為

12、精確、可靠的溫度電阻特性。揀乜阻RTD材科o-c時(shí)船晌應(yīng)C時(shí)林料懈型電除率0.00365mi/PC(IEC751)a.aixiaaicmW砒踴時(shí)WCt?IIi5.91x10iSilcm0.00427ibiVC1,53x10s11cm5擒電限RTEJ對(duì)用第幹材糾制成，此種關(guān)件的電陽溫止那越單位是口也P叮07的）因此，鉑電阻最適于需要最高的絕對(duì)精度及重復(fù)性使用場(chǎng)合，它對(duì)環(huán)境的敏感度極低，與此相比，銅電阻則易產(chǎn)生腐蝕，長期穩(wěn)定性差，而鎳電阻雖然環(huán)境寬容度好，但適用溫度范圍較窄。鉑電阻的對(duì)溫度響應(yīng)的線性度好，化學(xué)惰性，容易加工制作直徑較細(xì)的線材或是厚度小的箔材，鉑的電阻率高于其他的熱電阻材料，在電阻值

13、相同的情況要求用材少，適于對(duì)成本考慮較強(qiáng)，對(duì)熱響應(yīng)講究的場(chǎng)合。鉑電阻的熱響應(yīng)速度影響測(cè)量時(shí)間，它還取決于電阻的殼體及本身的尺寸情況，元件本身的尺寸小，外殼尺寸也可做得小些，一般地說，鉑熱電阻的響應(yīng)速度要比以半導(dǎo)體制作的溫度傳感器響應(yīng)快。熱電阻在攝氏零度的絕對(duì)電阻數(shù)值范圍很大，可以由用戶規(guī)定，如鉑電阻的標(biāo)準(zhǔn)電阻為10歐0，但也有501,002,0等阻值。前已經(jīng)述及，熱電阻是以絕對(duì)法測(cè)量溫度的，而不是象熱電偶測(cè)的是相對(duì)兩端之差，因此，任何其他的傳感器無助于改善熱電阻的測(cè)量精度。多數(shù)情況下，熱電阻無需作線性化處理，表6所示是一套100歐姆熱電阻的溫度電阻特性，當(dāng)溫度從0度變化到100度時(shí)，其電阻的變

14、化量為：A?=fTlieriJiiriResponse)7?a-JrAR=M003SQO*CxWgrXR=3S.5I2與此同時(shí)，表中還以為單位，列出了鉑電阻在其工作溫度范圍內(nèi)電阻值的變化精度。就本文論及的熱電阻而言，鉑電阻是線性精度最好的，其線性化方程中只能兩個(gè)系數(shù)。1t2t溫度(0Cto859C)之間；t01t2tt1001溫度(200Cto0C)之間；t0式中：為熱電阻在測(cè)定溫度下的電阻值；tt為待測(cè)定的溫度；為0度時(shí)熱電阻的電阻值；和是經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的校正系數(shù)；這些方程是經(jīng)五次迭代后求解的，從而可以將求解精度達(dá)到土0.001C的精度。渥度(倒阻典型絕對(duì)值電組偏差H匾度偏差C-2002,00.

15、5G1”3-1GD61,50,320.60100,0土0,t20.3100136,50-300.8200177.0七0,43土1.3300的5/?：:fc0-6*t土1”8400254,0092.3500292.Sjb0.93土2.800331.0:t1.06土3.3700369,51.17士3.86D0408.0上1.28*4.3養(yǎng)6英國裁采加仝司的100歐姆柏唱陰允許儁差，義列的鈾電隕產(chǎn)品1M氐0度的熱響曲丸0.Qgs黑V/V(tEC)熱電阻的誤差分析除表6所示的元件初始誤差外，還有其他的誤差源會(huì)影響熱電阻溫度傳感器的總精度，器件應(yīng)用時(shí)的機(jī)械缺陷，如線材的彎曲，使用中不慎產(chǎn)生的沖擊，器件受

16、熱膨脹時(shí)由于外殼的收縮所引起的應(yīng)力，以及震動(dòng)等，均會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)量重復(fù)性產(chǎn)生長周期的影響。以上所述的機(jī)械應(yīng)力會(huì)影響熱電阻的穩(wěn)定性，信號(hào)調(diào)理，增益，對(duì)輸出信號(hào)的數(shù)字化等電氣設(shè)計(jì)也可影響熱電阻的精度，其中的一項(xiàng)是激勵(lì)電流對(duì)熱電阻的加熱效應(yīng)，因?yàn)闊犭娮栊枰眉?lì)電流才能將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓，人們希望流過電阻的激勵(lì)電流大些，以使輸出信號(hào)大大高于系統(tǒng)的噪聲電平，但這樣做的負(fù)面效應(yīng)傳感器會(huì)自行發(fā)熱，因?yàn)殡娏髋c電阻產(chǎn)生了熱功率使器件溫度升高，而這一溫升又使電阻增加。如已知器件的熱阻：，激勵(lì)電流數(shù)值，以及熱電阻的阻值，上述誤差很容易計(jì)算。例如，如器件的熱阻為50C/W,熱電阻名義值為501,激勵(lì)電流為5毫安

17、，則因生熱而產(chǎn)生的溫升為J5C=r2S0Ux=on25&c這一實(shí)例說明了將激勵(lì)電流選擇得盡可能小，如小于毫安的重要性。第二項(xiàng)誤差源是與器件連接的往返引線，將器件連接至電路的其余部分系一極為重要的一環(huán)，有三種形式可考慮采用：圖3所示二線方式是最為經(jīng)濟(jì)的，但激勵(lì)電流同埋流經(jīng)引線及熱電阻二者，引線之一部分與熱電阻一起暴露于同溫度下，引線電阻隨溫度的變化成為一個(gè)重要問題，例如，設(shè)引線用的是5號(hào)銅絲，長度為50米（引線電阻為0Q/），則往返兩股導(dǎo)線使熱電阻增加0.10208，對(duì)100歐姆名義電阻而言，所引起的測(cè)量誤差在零度時(shí)為0.2度6，對(duì)整個(gè)測(cè)量產(chǎn)生非線性，圖所示這一精度較差的二導(dǎo)線引線方式可有效地改

18、在三線或四線方式，以完全消除導(dǎo)線引入的誤差。圖Z松電BI斗二妓.三四雄式軸閒，二ts式禺廈晁辱，囚詡西掃:的刖坡迫RUL耳就號(hào)薪瀆為L雪玻式構(gòu)度量萬，罔為測(cè)粗時(shí)可飆削帕濟(jì)技常鞘試遷清眸;&.）三疑煉電晦毎畫重廣O迥址礎(chǔ)啤K1F*度離站二馥觸電用桂圧低熱敏電阻-溫度測(cè)量精度最高如高精度成為至高無上關(guān)注要點(diǎn)，則溫度傳感器應(yīng)選熱敏電阻類，它有兩個(gè)品種，一是負(fù)溫度系數(shù)，二是正溫度系數(shù)前者是陶瓷制品，由過渡屬元素（如錳，鉆，銅，鎳等）的金屬氧化物為其成份，它需激勵(lì)電流，溫度系數(shù)是負(fù)的，有相當(dāng)好的線性，且重復(fù)度優(yōu)異，其工作范圍為至50度之間，經(jīng)封裝后，其電阻隨溫度連續(xù)可變，且隨溫度的變化程度極大高于熱電阻，即靈敏度高得多。圖系熱敏電阻的典型溫度特性及其與熱電阻的對(duì)照，可清楚看出二者溫度系數(shù)的極大差異，其溫度系數(shù)呈負(fù)值，在其工作溫度范圍內(nèi)，電阻值可變