温度传感器的对比分析

温度传感器的对比分析

大致的要点：

1．温度传感器概述：应用领域，重要性；

2．四种主要的温度传感器类型的横向比较

3．热电偶传感器

4．热电阻传感器

5．热敏电阻传感器

6．集成电路温度传感器以及典型产品举例

7．温度传感器的正确选择及应用

在各种各样的测量技术中，温度的测量可能是最为常见的一种，因为任何的应用领域，掌握温度的确切数值，了解温度与实际状态之间的差异等，都具有极为重要的意义。就以测量为例，在力的测量，压力，流量，位置及电平高低等测量的过程中，为了提高测量精度，通常都会要求对温度进行监视，如压力或力的测量，往往是使用惠斯登电阻电桥，但组成电桥的电阻随温度变化引起的误差，往往会大大超过待测力引起的电阻值变化，如不对温度进行监控并据此校正测量结果，则测量完全不可能进行或者毫无效果。其他参数测量也有类似问题，可以说，各种的物理量都是温度的函数，要得到精确的测定结果，必须针对温度的变化，作出精确的校正。本文就是帮助读者针对特定的用途，选择最为合适的温度传感器，并进行精确的温度测量。

工业上常用的温度传感器有四类：即热电偶、热电阻RTD、热敏电阻及集成电路温度传感器；每一类温度传感器有自己独特的温度测量范围，有自己适用的温度环境；没有一种温度传感器可以通用于所有的用途：热电偶的可测温度范围最宽，而热电阻的测量线性度最优，热敏电阻的测量精度最高。表1是四类传感器的各自独特的性能特性及相互比较。表2是四类传感器的典型应用领域。

热电偶--通用而经济

热电偶由二根不同的金属线材，将它们一端焊接在一起构成，如图1所示；参考端温度（也称冷补偿端）用来消除铁-铜相联及康铜-铜联接端所贡献的误差；而两种不同金属的焊接端放置于需要测量温度的目标上。

两种材料这样联接后会在未焊接的一端产生一个电压，电压数值是所有联接端温度的函数，热电偶无需电压或电流激励。实际应用时，如果试图提供电压或电流激励反而会将误差引进系统。

鉴于热电偶的电压产生于两种不同线材的开路端，其与外界的接口似乎可通过直接测量两导线之间的电压实现；如果热电偶的的两端头不是联接至另外金属，通常是铜，那末事情真会简单至此。

但热电偶需与另外一种金属联接这一事实，实际上又建立了新的一对热电偶，在系统中引入了极大的误差，消除此误差的唯一办法是检测参考端的温度（参见图1），以硬件或硬件-软件相结合的方式将这一联接所贡献的误差减掉，纯硬件消除技术由于线性化校正的因素，比软件-硬件相结合技术受限制更大。一般情况下，参考端温度的精确检测用热电阻RTD，热敏电阻或是集成电路温度传感器进行。原则上说，热电偶可由任意的两种不同金属构建而成，但在实践中，构成热电偶的两种金属组合已经标准化，因为标准组合的线性度及所产生的电压与温度的关系更趋理想。

表3与图2是常用的热电偶E,J,T,K,N,S,B R的特性。

热电偶是一种高度非线性器件，需作大力线性化算法处置。表3的西贝克系数是某种热电偶在规定温度下的平均飘移。

热电偶交货时，其性能由制造商按NIST175标准保证（此标准已被ASTM采纳），标准规定了热电偶的温度特性以及所用原材料的品质。与热电阻RTD，热敏电阻及集成电路硅传感器相比，热电偶的非线性极其严重，因此，在电路部分，必须进行复杂的算法处理，表4所示是复杂算法的一个实例，这是K型热电偶的温度系数，可将其在0度至1372度范围内予以线性化，这些系数应用于以下方程：

式中：V 是热电偶两端的电压；

T 是温度

另一种这些复杂计算方法的应用是在处理程序中制作一张对照表，这样一张表 4 所列的 K 型热电偶的系数计算对照表是一组 11X14 阵列的十进制数，范围为0.000 – 13.820;

除此之外，热电偶由于与参考温度之间有一定的函数关系，它能确定温度的数值，（参考温度定义为热电偶导线相对其焊接端的远端端头温度，通常用热电阻RTD，热敏电阻或硅集成电路传感器测定）。

与热电阻RTD，热敏电阻相比，热电偶的热质量较小，因此其响应速度较快。这种温度传感器由于其宽广的温度检测范围，在一些恶劣环境下几乎成为独一无二的选择。

热电偶误差分析

热电偶比较其他温度传感器的成本低，结构强度大，体积小；但材料所受的任何应力，如弯曲，拉伸，压缩均可改变热梯度特性；此外，腐蚀介质可穿透其绝缘外皮，引起其热力学特性的改变，给热电偶加一保护性管壳，如陶瓷管以作高温保护是可行的，金属热阱也可提供机械保护。热电偶电压沿两种不同金属的长度方向上存在电压降，但这并不意味着长度较短的热电偶与长度较大的热电偶相比，肯定会有不同的西贝克系数。

线材长度短，当然会使温度梯度陡峻，但从导电效应来看，线材长度较大的热电偶却有它自己的优点，这时温度梯度是会小些，但导电损失也减小；但从长导线的负面效应来看，长线材热电偶的输出电压小，增加了后续信号调理电路的负担。

除了输出信号小之外，器件的线性度差需要大额度的校准，通常是以硬件与软件实现，如以硬件实现，需要一绝对温度参考用作为冷端参考，如以软件实现，则以对照表或多项式计算以减小热电偶误差。最后，电磁干扰会耦合进这双线系统；小线规线材可用作高温检测，寿命也会长些，但如果灵敏度成为最重要因素，则大线规线材的测量性能好些。

总起来讲，热电偶由于可测温度范围大，机械强度高，及价格低，成为温度测量的常选。高精度系统要求的线性度及准确度，要实现并不容易。如果精度要求更高，则应选择其他的温度传感器。

热电阻RTD--热电偶的绝对替代器件

热电阻测温元件的技术在持续不断地改进，温度测量的质量在不断提高，但要真正实现高质量、高精度的温度测量系统，热电阻的器件选择仍然极为重要。热电阻系一电阻性的元件，由金属制成，如铂，镍，铜等，所选金属必须具有可以预测的电阻值随温度变化的特性，其物理性能要易于加工制造，电阻温度系数必须足够大，使其电阻随温度的改变易于准确测量。其他的温度检测器件，如热电偶，并不能让设计人员有一种相当线性的电阻随温度变化特性，而热电阻这种线性度极好的电阻温度特性，大大简化了信号处理电路的设计制作。图5所示系热电阻的温度电阻特性，其中又以铂电阻在三种金属中具有最为精确、可靠的温度电阻特性。

因此，铂电阻最适于需要最高的绝对精度及重复性使用场合，它对环境的敏感度极低，与此相比，铜电阻则易产生腐蚀，长期稳定性差，而镍电阻虽然环境宽容度好，但适用温度范围较窄。

铂电阻的对温度响应的线性度好，化学惰性，容易加工制作直径较细的线材或是厚度小的箔材，铂的电阻率高于其他的热电阻材料，在电阻值相同的情况要求用材少，适于对成本考虑较强，对热响应讲究的场合。