测量技巧
第1卷，第3期
为您的应用选择正确温度传感器的技巧
选择适宜的传感器
简述: 白色家电中的温度分布图
如果您要进行可靠的温度测量，就需要为您的应用选择正确的温度传感器。了解各种温度传感器的优缺点，就能帮助您正确地设置测量。热偶、热敏电阻、铂电阻温度传感器(RTD)和温度IC是电子测试中最常用的温度传感器。我们在这里将比较这些流行的温度传感器的工作范围、精度、价格、可靠性、稳定性和易用性。
一家高档家用冰箱制造商要建立冰箱内温度变化的3维分布图。厂家要通过这张分布图验证冰箱内部温度的精度和一致性，从而以温度一致性为卖点赢得重要的消费者。该厂家选用Agilent 34970A数据采集单元进行这项测试。他们的测试工程师需要选择最好的温度传感器，把传感器阵列插入冷藏室中。温度范围虽然很窄，但对这窄温度范围有很高的精度要求。热偶精度不够，热敏电阻也不合适。他们最后选择RTD 阵列，采用4线电阻测量技术，因为RTD能为这项应用提供最好的精度。
温度传感器
热偶
V
热敏电阻
R
RTD
R
IC传感器
Vor1
T
Temperature
Temperature
T
Temperature
T
Temperature
Voltage or Current
Resistrance
Resistrance
Voltage
T
优点
自供电简单坚固便宜
众多外形结构形式宽温度范围
高输出快
2线欧姆测量
最稳定最精确
线性优于热偶
最线性最高输出便宜
缺点非线性低电压需要参考结最不稳定最不灵敏
图1: 各种流行温度传感器的优点和缺点
非线性
有限的温度范围不结实需要电流源自热贵慢
需要电流源电阻变化小4线测量T
有限的配置
热偶
热偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金
属B)构成，如图2所示。当热偶一端受热时，热偶电路中就有连续电流流过。您可用该温度梯度产生的电压计算温度。
热偶是温度测量中最常用的传感器。与热敏电阻、RTD及IC传感器相比，热偶的最重要好处是宽温度范围和适应各种大气环境。热偶比其它传感器结实得多，可在现场焊接制作。热偶也是自供电和最便宜的温度传感器。
不过，电压和温度间是如图2所示的非线性关系，温度变化时电压变化很小。例如J型热偶在0°C时产生的电压为50 µV，每°C的温度变化只产生5 µV量级的电压变化。您需要用好的测量设备来测量如此小的电压。此外，热偶也是最不灵敏和最不稳定的温度传感器 。
由于电压和温度是非线性关系，因此难以把被测电压变换为温度。为计算热偶温度(Tx)，您还需要为参考温度(Tref)作第二次测量。虽然现代数据记录仪能通过软件和/或硬件在仪器内部处理电压—温度变换，但额外的测量也要多花测量时间。
简而言之，热偶是最简单和最通用的温度传感器，使用热偶简单到只需连接两条线。虽然这种最便宜的传感器也是使用最普遍的温度传感器，但热偶并不适合高精度的应用。
TxVxVref
refx
ref
图 2: 热偶电路图(左)和热偶电压 — 温度曲线例子(右)
2
热敏电阻
热敏电阻是用半导体材料，通常为陶瓷或聚合物制
成的热敏电阻器。大多数热敏电阻为负温度系数，
即阻值随 温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。
Rlead
Rtemp
RmeasRlead
图 3: 热敏电阻电路图
高灵敏度的代价是线性度差。热敏电阻的线性极差，并
且与生产工艺有很大关系。因此制造商给不出标准化的热敏电阻曲线，而热偶曲线已经实现标准化。
热敏电阻非常小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。
热敏电阻有较好的精度，但它比热偶贵。可测温度范围也小于热偶。热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度，而热偶测量的是热物质和参考结间的相对温度。一种常用热敏电阻在25°C时的阻值为5 kΩ，每1°C的温度改变造成 200 Ω的电阻变化。注意10 Ω的引线电阻仅造成可忽略的0.05°C误差。
热敏电阻非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的，但必须注意防止自热误差。
铂电阻温度传感器
与热敏电阻相似，铂电阻温度传感器(RTD)也是
用半导体材料，通常是用铂制成的热敏感电阻器。当通过测量电压计算RTD温度时，数字万用表用已知电流源测量该电流源所产生的电压。这一电压为两条引线(Vlead)上的压降加RTD上的电压(Vtemp)。例如，常用RTD的电阻为100 Ω，每°C仅产生 0.385
Ω的电阻变化。如果每条引线有10 Ω电阻，就将造成26 °C的测量误差，这是不可接受的。应记住同样的引线电阻只造成热敏电阻0.05°C的误差。所以应对RTD作4线欧姆测量。
RTD是最精确和最稳定的温度传感器，它的线性度优于热偶和热敏电阻。但RTD
也是最慢和最贵的温度传感器。因此RTD最适合对精度有严格要求，而速度和价格不太关键的应用领域。
VleadRTD
lead
图4: 2线RTD测量
R lead
图5: 4线测量
3
温度IC
温度集成电路(IC)是一种数字温度传感器，它有非常 线性的电压/电流—温度关系。有些IC传感器甚至有代表温度，并能被微处理器直接读出的数字输出形式。有两类具有如下温度关系的温度IC:·电压IC: 10 mV/K·电流IC: 1 µA/K
温度IC的输出是非常线性的电压°C。实际产生的是电压Kelvin，因此室温时的IC输出约为3 V。温度IC需要有外电源。通常温度IC是嵌入在电路中而不用于探测。但除了输出与温度间有非常好的线性外，这些IC也有与热敏电阻及RTD同样的缺点。它们都是半导体器件，只有有限的温度范围。也存在同样的自热、不坚固和需要外电源的问题。
总之，温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。
总结
我们已讨论了各类常用温度传感器的优点和缺点。如果您了解必须的权衡，为您的应用仔细选择正确的传感器，您
就能避免常见的缺憾而实现可靠的温度测量。
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