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如何正确选择温度传感器

作者 Admin 浏览 发布时间 17/06/13
 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。只有了解各种温度传感器的优缺点,才能帮助您正确地设置测量。热电偶、热敏电阻、铂电阻温度传感器和温度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。

热电偶:
热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A 和金属B)构成。当热电偶一端受热时,热电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。
热电偶是温度测量中最常用的传感器。与热敏电阻、铂电阻及IC传感器相比,热电偶的最重要好处是宽温度范围和适应各种大气环境。热电偶比其它传感器结实得多,可在现场焊接制作。热电偶也是自供电和最便宜的温度传感器。
不过,电压和温度间是非线性关系,温度变化时电压变化很小。您需要用好的测量设备来测量如此小的电压。此外,热电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。为计算热电偶温度(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,热电偶是最简单和最通用的温度传感器,使用热电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,但热电偶并不适合高精度的应用。

优点:自供电、简单坚固、便宜、众多外形结构形式、宽温度范围
缺点:非线性、低电压、需要参考结、最不稳定、最不灵敏

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。
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。
测量技巧:
热敏电阻体积小是优点,它能很快稳定,不会造成热负载。不过也因此很不结实,大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件,任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中,将导致永久性的损坏。

优点:高输出、快、2线欧姆测量
缺点:非线性、有限的温度范围、不结实、需要电流源、自热

铂电阻温度传感器

与热敏电阻相,铂电阻温度传感器也是用半导体材料,通常是用铂制成的热敏感电阻器。当通过测量电压计算铂电阻温度传感器温度时,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)上的压降加铂电阻上的电压(Vtemp)。例如,常用铂电阻0°C的电阻值为100 Ω,每1°C 温度变化仅产生 0.3851 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。所以应对铂电阻作4 线欧姆测量。铂电阻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。但铂电阻也是最慢和最贵的温度传感器。因此铂电阻温度传感器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。

测量技巧:
使用5 mA 电流源会应自热造成2.5°C 的温度测量误差。因此把自热误差减到最小是极为重要的。4 线测量更为精确,但需要两倍的引线和两倍的开关。

优点:最稳定、最精确、线性优于热偶
缺点:贵、慢、需要电流源、电阻变化小、4 线测量

IC传感器
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。

测量技巧:
温度IC 体积较大。因此它变化慢,并可能造成热负载。把温度IC 用于接近室温的场合。这是它最流行的应用。虽然测量范围有限,但也能测量150°C 的高温。

优点:最线性、最高输出、便宜
缺点:T< 250°C、需要外电源、慢、自热、有限的配置

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