温度传感器的选用

温度传感器的选用

摘要：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，因为许多的应用领域，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。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。

关键字：温度传感器热电偶热电阻集成电路

引言：

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。

1、热电偶

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；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，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。

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围，在一些恶劣环境下几乎成为独一无二的选择。

2、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

3、热电阻RTD

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

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, 500 1000 or 2000 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。

4、热电阻的误差分析

除了元件初始误差外，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