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,BR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。铂电阻的热响应速度影响测量时间，它还取决于电阻的壳体及本身的尺寸情况，元件本身的尺寸小，外壳尺寸也可做得小些，一般地说，铂热电阻的响应速度要比以半导体制作的温度传感器响应快。热电阻在摄氏零度的绝对电阻数值范围很大，可以由用户规定，如铂电阻的标准电阻为100欧，但也有50,100,200,5001000or2000等阻值。前已经述及，热电阻是以绝对法测量温度的，而不是象热电偶测的是相对两端之差，因此，任何其他的传感器无助于改善热电阻的测量精度。多数情况下，热电阻无需作线性化处理，表6所示是一套100欧姆热电阻的温度电阻特性，当温度从0度变化到100度时，其电阻的变化量为：与此同时，表中还以为单位，列出了铂电阻在其工作温度范围内电阻值的变化精度。就本文论及的热电阻而言，铂电阻是线性精度最好的，其线性化方程中只能两个系数。Rt=R0(1+At+Bt2)温度（0℃to859℃）之间；Rt=R0(1+At+Bt2)+C(t-100t3)温度（-200℃to0℃）之间；式中：Rt为热电阻在测定温度下的电阻值；t为待测定的温度；R0为0度时热电阻的电阻值；A,B和C是经实验测定的校正系数；这些方程是经五次迭代后求解的，从而可以将求解精度达到±0.001℃的精度。热电阻的误差分析除表6所示的元件初始误差外，还有其他的误差源会影响热电阻温度传感器的总精度，器件应用时的机械缺陷，如线材的弯曲，使用中不慎产生的冲击，器件受热膨胀时由于外壳的收缩所引起的应力，以及震动等，均会对传感器的测量重复性产生长周期的影响。以上所述的机械应力会影响热电阻的稳定性，信号调理，增益，对输出信号的数字化等电气设计也可影响热电阻的精度，其中的一项是激励电流对热电阻的加热效应，因为热电阻需要用激励电流才能将电阻的变化转换为电压，人们希望流过电阻的激励电流大些，以使输出信号大大高于系统的噪声电平，但这样做的负面效应传感器会自行发热，因为电流与电阻产生了热功率使器件温度升高，而这一温升又使电阻增加。如已知器件的热阻，激励电流数值，以及热电阻的阻值，上述误差很容易计算。例如，如器件的热阻为50℃/W，热电阻名义值为250Ω，激励电流为5毫安，则因生热而产生的温升△℃为这一实例说明了将激励电流选择得尽可能小，如小于1毫安的重要性。第二项误差源是与器件连接的往返引线，将器件连接至电路的其余部分系一极为重要的一环，有三种形式可考虑采用：图3所示二线方式是最为经济的，但激励电流同埋流经引线及热电阻二者，引线之一部分与热电阻一起暴露于同温度下，引线电阻随温度的变化成为一个重要问题，例如，设引线用的是5号铜丝，长度为50米（引线电阻为1.028Ω/km），则往返两股导线使热电阻增加0.1028Ω，对100欧姆名义电阻而言，所引起的测量误差在零度时为0.26度，对整个测量产生非线性，图3所示这一精度较差的二导线引线方式可有效地改在三线或四线方式，以完全消除导线引入的误差。热敏电阻-温度测量精度最高如高精度成为至高无上关注要点，则温度传感器应选热敏电阻类，它有两个品种，一是负温度系数NTC，二是正温度系数PTC,前者是陶瓷制品，由过渡属元素（如锰，钴，铜，镍等）的金属氧化物为其成份，它需激励电流，温度系数是负的，有相当好的线性，且重复度优异，其工作范围为-100至450度之间，经封装后，其电阻随温度连续可变，且随温度的变化程度极大高于热电阻RTD，即灵敏度高得多。图4系热敏电阻的典型温度特性及其与热电阻RTD的对照，可清楚看出二者温度系数的极大差异，其温度系数呈负值，在其工作温度范围内，电阻值可变化达10，000倍；相映成对比的是，热电阻RTD的温度系数是正的，且在其工作温度范围内变化幅度只达4倍，在测量领域，这一极高的灵敏度及其相当高的精度十分吸引设计人员。热敏电阻线性度不如热电阻RTD,精密测量温度时的校正需要三次多项式，它在工作温度范围内的线性化方程为式中：BX为热敏材料常数以上线性化方程可将测量的不可求解性限制在±0.005℃，不过在单片机上实现这一计算相当繁琐，以查表法也可达同一目的，只是精度稍低。热敏电阻的误差分析热敏电阻的精度可比热电阻高，但两种传感器也有不少相同之处。热敏电阻也有激励电流的加热问题，实际使用时对其热效应需更加精心处置，因为后者的电阻值要大得多，例如，以0.35毫米的10℃/W的热敏电阻，25度时的名义电阻为10千欧姆，如激励电流取为5毫安，则因加热效应引起的温度测量增加量为：可见，待测温度如此之变化，测量的精度显然不高，而且，热敏电阻的这一温度系数还将该问题延迟了数秒，因为它要使外封装材料达到热稳定，使问题进一步复杂化的是，热敏电阻热效应是使电阻减小的（不象热电阻RTD那样是使电阻增加的），因为它是负温系数，所以热敏电阻的阻值会小于电压被激励电流相除所得数值，这一效应相当不容易用软件校准的办法消除，应尽量避免。正温系数热敏电阻的温度系数是正值，用钛酸