温度采集之传感器概述

温度采集之传感器概述李福平温度采集要点：1.传感器的类型和工作原理2.冷端补偿和参考温度3.特别注意事项（高速温度采集）一、传感器的类型1.热电偶：利用两种不同金属的焊点随温度不同会产生电动势而制成，标准计算公式为U=kab(T-T0)k为两种材料之间的灵敏度（满足公式kab=kaPt-kbPt其中Pt为Pt铂）其中T0为引线连接点处的温度，成为参考温度，但是实际测量中必须知道T0，所以有时候需要把该段放入恒温箱或者冰水混合物中；或者利用电阻桥路，使得桥路电压加上热电偶电压始终等于一个常数，而在T0时桥路电压等于零，于是测量桥路电压或者热电偶电压即可计算出温度，这叫做校正电路。或者利用二极管的某些温度特性加上桥路使得电压与温度的绝对值而不是温度差成正比做成校正电路。如果一个测温系统有了校正电路，那么冷端补偿也就不用了。在LabVIEW里或者MAX里创建温度采集任务，会让用户选择CJC即冷端补偿的源，如果是constant那么表明T0端放在了恒温箱或者冰水混合物中，如果是buildin则表示使用NI板卡自带的冷端补偿电路（一般是一个RTD提供一个T0），如果是channel，那么测出的温度值是两者之间的温度差，还需要加上参考channel的温度值。热电偶根据组成金属的不同可以分为很多种类型如：J型、K型等。不同类型热电偶的灵敏度不一样，因此算式也不一样。附图1是不同类型热电偶的成分和颜色。2.RTD：resistancetemperaturedetector电阻温度检测器；众多测量温度（或测温）方法中，电阻温度检测器（或电阻测温器，通常简称为RTD）是最精确的一种方法。在RTD中，器件电阻与温度成正比。尽管有些RTD使用镍或铜，但RTD最常用的电阻材料还是铂。RTD拥有很宽的温度测量范围。根据其构造，RTD可测量-270～850℃的温度范围。Pt100即为一种热敏电阻，该电阻的测量（即测量温度）需要有电流激励（一般为25mA,NI的板卡一般可以设置），另外接线方式有2线式，3线式和4线式。Pt铂金属也会根据类型的不同计算的参数也不一样，详细参数见附录。如果是Ni镍，则转换公式也不同，NI网上有一个vi可以用来进行转换镍电阻到温度。3.thermistor(thermallysensitiveresistors)，热敏电阻，其原理与RTD一样，也是电阻随温度变化，但是RTD是纯金属制成，RTD则是由金属氧化物半导体制成，其温度系数有负温度系数negativetemperaturecoefficient(NTC)，也有正温度系数positivetemperaturecoefficient(PTC)，根据Steinhart-Hartequation，Thermistorshaveawellknownresistance-vs.-temperaturecharacteristic.ItiscalledtheSteinhart-Hartequation.thatisexperssedas1/T=A+B*Ln(R)+C*(Ln(R))^3orasimplifiedformthat'slessacurateT=1/(Ln(R)-A))-CIntheaboveequations,TisindegKandRisinOhms.ThefollowingequationappearsontheAgilentwebsite,T=1/(A+W*(B+C*W*W))-273.15。其中的A、B、C即为NI的LabVIEW里需要依次输入的thermistorcharacteristics的三个参数。当然thermistor传感器的测量需要激励，可以选择电压或者电流激励，不像RTD,只有电流激励（起码在LabVIEW里是这样）。二、冷端补偿和参考温度热电偶测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。电桥的三个桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由（铜）热电阻构成。当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小），而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发生变化（升高）。如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。这就是热电偶的冷端补偿原理。参考温度即T0，实际测量中必须知道T0，所以有时候需要把该段放入恒温箱或者冰水混合物中；或者利用电阻桥路，使得桥路电压加上热电偶电压始终等于一个常数，而在T0时桥路电压等于零，于是测量桥路电压或者热电偶电压即可计算出温度，这叫做校正电路。或者利用二极管的某些温度特性加上桥路使得电压与温度的绝对值而不是温度差成正比做成校正电路。如果一个测温系统有了校正电路，那么冷端补偿也就不用了。在LabVIEW里或者MAX里创建温度采集任务，会让用户选择CJC即冷端补偿的源，如果是constant那么表明T0端放在了恒温箱或者冰水混合物中，如果是buildin则表示使用NI板卡自带的冷端补偿电路（一般是一个RTD提供一个T0），如果是channel，那么测出的温度值是两者之间的温度差，还需要加上参考channel的温度值。三、特别注意事项（高速温度采集）比较：热电偶的工作范围最大，从-270摄氏度到2000摄氏度；RTD的工作范围次之，thermistor的最小；灵敏度则thermistor的最大，RTD次之，热电偶最小，精确度则Thermister最高，RTD次之。Thermister精确度也好，但是由于其非线性严重，一般不使用，现行最好的是RTD，其次是热电偶。从响应速度的角度来讲，热电偶的响应速度最快，RTD的响应速度较慢。从使用的便利性来讲，热电偶需要冷端补偿或者建立参考温度，还需要放大、滤波、线性化。RTD和thermister需要激励电路，但是不需要冷端补偿，也需要放大、滤波。由于构成热电偶的金属材料可以耐受很高的温度，例如钨铼热电偶能够工作在2000摄氏度以上的高温，常常用来检测高温环境的热物理参数，还有的材料能够在低温下工作，例如金铁热电偶能够在液氮的温度附近工作。可见热电偶传感器能够在很广泛的温度范围内工作。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程，如燃烧和爆炸过程等。对一般的工业应用来说，为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损，总是装在厚厚的护套里面，外观就显得笨大，对于温度场的反应也就迟缓得多。使用热电偶的时候，必须消除环境温度的波动对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中，有的使用冷端补偿器抵消这种影响。当测量点远离仪表时，还需要使用热点势率和热电偶相近的导线来传输信号，这种导线称为补偿导线。特点就是便宜，测量范围宽，从负270到正1800都可以，响应速度快。RTD和thermister不需要冷端补偿。随着技术的发展，以上讲述的温度采集知识会被慢慢突破。