為您的應(yīng)用選擇正確溫度傳感器

ＭａｒｋＢａｌｌｙ　饒　騫

摘要：通過(guò)比較這些溫度傳感器的工作范圍、精度、價(jià)格、可靠性、穩(wěn)定性和易用性，來(lái)為您正確地選用溫度傳感器提供參考。

關(guān)鍵詞：溫度傳感器；熱電偶；熱敏電阻；溫度IC

DOI：10.3969./j.issn.1005—5517.2009.06.002

熱電偶

熱電偶是溫度測(cè)量中最常用的傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應(yīng)各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實(shí)、價(jià)低。無(wú)需供電，尤其最便宜。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構(gòu)成。如圖1所示。當(dāng)熱電偶一端受熱時(shí)，熱電偶電路中就有電勢(shì)差。可用測(cè)量的電勢(shì)差來(lái)計(jì)算溫度。

不過(guò)，電壓和溫度間是如圖2所示的非線性關(guān)系，溫度變化時(shí)電壓變化很小。例如J型熱偶在0℃時(shí)產(chǎn)生的電壓為50μV，每1℃的溫度變化只產(chǎn)生5μv量級(jí)的電壓變化。您需要用精密的測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量如此小的電壓。此外，熱偶也是最不靈敏和最不穩(wěn)定的溫度傳感器。

由于電壓和溫度是非線性關(guān)系，因此需要為參考溫度(Tref)作第二次測(cè)量，并利用測(cè)試設(shè)備軟件和/或硬件在儀器內(nèi)部處理電壓一溫度變換，以最終獲得熱偶溫度(Tx)。Agilent34970A和34980A數(shù)據(jù)采集器均有內(nèi)置的測(cè)量了運(yùn)算能力。

簡(jiǎn)而言之，熱偶是最簡(jiǎn)單和最通用的溫度傳感器，但熱偶并不適合高精度的應(yīng)用。

熱敏電阻

熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料，大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會(huì)造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標(biāo)準(zhǔn)化的熱敏電阻曲線。

熱敏電阻體積非常小，對(duì)溫度變化的響應(yīng)也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對(duì)自熱誤差極為敏感。

熱敏電阻在兩條線上測(cè)量的是絕對(duì)溫度，有較好的精度，但它比熱偶貴，可測(cè)溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在259C時(shí)的阻值為5kΩ，每1℃的溫度改變?cè)斐?00n的電阻變化。注意10n的引線電阻僅造成可忽略的0.05℃誤差。它非常適合需要進(jìn)行快速和靈敏溫度測(cè)量的電流控制應(yīng)用。尺寸小對(duì)于有空間要求的應(yīng)用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。

測(cè)量技巧

熱敏電阻體積小是優(yōu)點(diǎn)，它能很快穩(wěn)定，不會(huì)造成熱負(fù)載。不過(guò)也因此很不結(jié)實(shí)，大電流會(huì)造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會(huì)在其上因功率而造成發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中。將導(dǎo)致永久性的損壞。

鉑電阻溫度傳感器

與熱敏電阻相似，鉑電阻溫度傳感器(RTD)也是用鉑制成的熱敏感電阻。當(dāng)通過(guò)測(cè)量電壓計(jì)算RTD溫度時(shí)，數(shù)字萬(wàn)用表用已知電流源測(cè)量該電流源所產(chǎn)生的電壓。這一電壓為兩條引線(Vlead)上的壓降加RTD上的電壓(Vtemp)。例如，常用RTD的電阻為100n，每1℃僅產(chǎn)生0.385Ω的電阻變化。如果每條引線有10Ω電阻，就將造成26℃的測(cè)量誤差，這是不可接受的。所以應(yīng)對(duì)RTD作4線歐姆測(cè)量。

RTD是最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器，它的線性度優(yōu)于熱偶和熱敏電阻。但RTD也是最慢和最貴的溫度傳感器。因此RTD最適合對(duì)精度有嚴(yán)格要求，而速度和價(jià)格不太關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。

測(cè)量技巧

·使用5mA電流源會(huì)因自熱造成2.5℃的溫度測(cè)量誤差。因此把自熱誤差減到最小是極為重要的。

·4線測(cè)量更為精確，但需要兩倍的引線和兩倍的開(kāi)關(guān)。

溫度IC

溫度集成電路(IC)是一種數(shù)字溫度傳感器，它有非常線性的電壓/電流一溫度關(guān)系。有些IC傳感器甚至有代表溫度、并能被微處理器直接讀出的數(shù)字輸出形式。

有兩類(lèi)具有如下溫度關(guān)系的溫度IC：

·電壓IC：10mV/K。

·電流IC：1μA/K。

溫度IC的輸出是非常線性的電壓/℃。實(shí)際產(chǎn)生的是電壓/Kelvin，因此室溫時(shí)的1℃輸出約為3V。溫度IC需要有外電源。通常溫度IC是嵌入在電路中而不用于探測(cè)。

溫度IC缺點(diǎn)是溫度范圍非常有限，也存在同樣的自熱、不堅(jiān)固和需要外電源的問(wèn)題。總之，溫度IC提供產(chǎn)生正比于溫度的易讀讀數(shù)方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。

測(cè)量技巧

·溫度IC體積較大，因此它變化慢，并可能造成熱負(fù)載。

·把溫度IC用于接近室溫的場(chǎng)合。這是它最流行的應(yīng)用。雖然測(cè)量范圍有限，但也能測(cè)量150℃的高溫。

結(jié)語(yǔ)

我們已討論了各類(lèi)常用溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如果您了解必須的權(quán)衡，為您的應(yīng)用仔細(xì)選擇正確的傳感器，您就能避免常見(jiàn)的缺憾而實(shí)現(xiàn)可靠的溫度測(cè)量。