溫度傳感器的優(yōu)點：常見溫度傳感器及優(yōu)缺點
原標(biāo)題：常見溫度傳感器及優(yōu)缺點
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/ 前言 /
無論是哪種類型的傳感器，所有溫度傳感器都要考慮以下四大因素：
對所測量的介質(zhì)沒有影響
不管測量什么，最重要的是要確保測量設(shè)備自身不會影響所測量的介質(zhì)。進(jìn)行接觸溫度測量時，這一點尤為重要。選擇正確的傳感器尺寸和導(dǎo)線配置是重要的設(shè)計考慮因素，以減少"桿效應(yīng)"及其他測量錯誤。
非常精確
將對測量介質(zhì)的影響降至最低之后，如何準(zhǔn)確地測量介質(zhì)就變得至關(guān)重要。準(zhǔn)確性涉及傳感器的基本特性、測量準(zhǔn)確性等。如果未能解決有關(guān)"桿效應(yīng)"的設(shè)計問題，再準(zhǔn)確的傳感器也無濟(jì)于事。
響應(yīng)即時（在多數(shù)情況下）
響應(yīng)時間受傳感器元件質(zhì)量的影響，還會受到導(dǎo)線的一些影響。通常傳感器越小，響應(yīng)速度越快。
輸出易于調(diào)節(jié)
使用微處理器后可以更輕松地調(diào)節(jié)非線性輸出，因此傳感器輸出的信號調(diào)節(jié)也更不成問題。
/ 傳感器的特性分析 /
上述每種主要類型的傳感器的基本操作理論都有所不同，有各自的特性：
溫度范圍
每種傳感器的溫度范圍也有所不同。熱電偶系列的溫度范圍最廣，跨越多個熱電偶類型。
精度
精度取決于基本的傳感器特性。所有傳感器類型的精度各不相同，不過鉑元件和熱敏電阻的精度最高。一般而言，精度越高，價格就越高。
長期穩(wěn)定性
由傳感器隨時間的推移保持其精度的一致程度來決定。穩(wěn)定性由傳感器的基本物理屬性決定。高溫通常會降低穩(wěn)定性。鉑和玻璃封裝的繞線式熱敏電阻是最穩(wěn)定的傳感器。熱電偶和半導(dǎo)體的穩(wěn)定性則最差。
輸出變化
傳感器輸出依照類型而有所變化。熱敏電阻的電阻變化與溫度成反比，因此具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)。鉑等基金屬具有正溫度系數(shù)(PTC)。熱電偶的千伏輸出較低，并且會隨著溫度的變化而變化。半導(dǎo)體通常可以調(diào)節(jié)，附帶各種數(shù)字信號輸出。
線性度
線性度定義了傳感器的輸出在一定的溫度范圍內(nèi)一致變化的情況。熱敏電阻呈指數(shù)級非線性，低溫下的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高溫下的靈敏度。隨著微處理器在傳感器信號調(diào)節(jié)電路中的應(yīng)用越來越廣泛，傳感器的線性度愈發(fā)不成問題。
電壓或電流
通電后，熱敏電阻和鉑元件都需要恒定的電壓或電流。功率調(diào)節(jié)對于控制熱敏電阻或鉑RTD中的自動加熱至關(guān)重要。電流調(diào)節(jié)對于半導(dǎo)體而言不太重要。熱電偶會產(chǎn)生電壓輸出。
響應(yīng)時間
即傳感器指示溫度的速度，取決于傳感器元件的尺寸和質(zhì)量（假定不使用預(yù)測方法）。半導(dǎo)體的響應(yīng)速度最慢，繞線式鉑元件的響應(yīng)速度是第二慢的。鉑薄膜、熱敏電阻和熱電偶提供小包裝，因此帶有高速選件。玻璃微珠是響應(yīng)速度最快的熱敏電阻配置。
錯誤偏差
會導(dǎo)致溫度指示有誤的電噪聲是使用熱電偶時的一個主要問題。在某些情況下，電阻極高的熱敏電阻可能是個問題。
導(dǎo)線電阻可能會導(dǎo)致熱敏電阻或RTD等電阻式設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)錯誤偏差。使用低電阻設(shè)備（例如100Ω鉑元件）或低電阻熱敏電阻時，這種影響會更加明顯。對于鉑元件，使用三線或四線導(dǎo)線配置來消除此問題。對于熱敏電阻，通常會通過提高電阻值來消除此影響。熱電偶必須使用相同材料的延長線和連接器作為導(dǎo)線，否則可能會引發(fā)錯誤。
性價比
盡管熱電偶是最廉價、應(yīng)用最廣泛的傳感器，但NTC熱敏電阻的性價比卻往往是最高的。
/ 傳感器的優(yōu)勢和劣勢對比 /
熱電偶傳感器
熱電偶傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，測量時不需要外加電源，直接將被測量轉(zhuǎn)換成電勢輸出，使用十分方便。它的測溫范圍很廣：-270℃～2500℃，并具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點。
熱電偶傳感器的缺點是靈敏度比較低，容易受到環(huán)境的信號干擾，也容易受到前置放大器溫漂的影響，不適合測量微小的溫度變化。
熱電偶傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。
（赫斯曼接線型一體化溫度傳感器）
對一般的工業(yè)應(yīng)用來說，為了保護(hù)感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護(hù)套里面，外觀顯得笨大，對于溫度的反應(yīng)也遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環(huán)境溫度對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補償?shù)窒@種影響。當(dāng)測量點遠(yuǎn)離儀表時，還需要使用補償導(dǎo)線。
因此選擇熱電偶時需考慮下列因素：1、被測溫度范圍；2、所 需響應(yīng)時間；3、連接點類型；4、熱電偶或護(hù)套材料的抗化學(xué)腐蝕能力；5、抗磨損或抗振動能力；6、安裝及限制要求等。
熱敏電阻
熱敏電阻（即“溫度敏感型電阻器”）是一種高精度經(jīng)濟(jì)型溫度測量傳感器。按照溫度系數(shù)分為NTC（負(fù)溫度系數(shù)）和PTC（正溫度系數(shù)）兩種類型，NTC熱敏電阻通常用于溫度測量。
主要優(yōu)勢是：靈敏度：熱敏電阻能隨非常微小的溫度變化而變化。精度：熱敏電阻能提供很高的絕對精度和誤差。成本：對于熱敏電阻的高性能，它的性價比很高。堅固性：熱敏電阻的構(gòu)造使得它非常堅固耐用。靈活性：熱敏電阻可配置為多種物理形式，包括極小的包裝。密封：玻璃封裝為其提供了密封的包裝，從而避免因受潮而導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)故障。表面安裝：提供各種尺寸和電阻容差。
（赫斯曼顯示型一體化溫度傳感器）
熱敏電阻的劣勢中，通常只有自動加熱是一個設(shè)計考慮因素。必須采取適當(dāng)措施將感應(yīng)電流限制在一個足夠低的值，以便使自動加熱錯誤降低到一個可接受的值。如果將熱敏電阻暴露在高熱中，將會導(dǎo)致永久性的損壞。
非線性問題可通過軟件或電路來解決，會引發(fā)故障的潮濕問題可通過玻璃封裝來解決。
電阻溫度檢測器（RTD）
RTD通常用鉑金、銅或鎳，它們的溫度系數(shù)較大，隨溫度變化響應(yīng)快，能夠抵抗熱疲勞，而且易于加工制造成為精密的線圈，尤其用鉑金等金屬制成時，RTD非常穩(wěn)定，不受腐蝕或氧化的影響。RTD的測溫原理是：純金屬或某些合金的電阻隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小。電阻-溫度變化關(guān)系最好是線性的，溫度系數(shù)（溫度系數(shù)的定義是單位溫度引起的電阻變化）越大越好，而且要能夠抵抗熱疲勞，隨溫度變化響應(yīng)靈敏。目前只有少數(shù)幾種金屬能夠滿足這樣的要求。
（LLWD一體化溫度傳感器）
RTD還相對防止電氣噪聲，因此非常適合在工業(yè)環(huán)境中的溫度測量，特別是在電動機、發(fā)電機及其它高壓設(shè)備的周圍使用。 RTD是目前最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器。它的線性度優(yōu)于熱電偶和熱敏電阻。但RTD也是響應(yīng)速度較慢而且價格比較貴的溫度傳感器。因此，RTD最適合對精度有嚴(yán)格要求，而速度和價格不太關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。
IC溫度傳感器
包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。
模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測溫、控測，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡單。
（LL-WS62插入式溫濕度傳感器）
數(shù)字溫度傳感器是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。目前有多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品，智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）;并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化和諧也取決于軟件的開發(fā)水平。
（SBWZPK-230B防爆型溫度傳感器）
IC溫度傳感器有許多好處，包括：功耗低；可提供小型封裝產(chǎn)品（有些尺寸小到0.8mm×0.8mm）；還可在某些應(yīng)用中實現(xiàn)低器件成本。此外，由于IC傳感器在生產(chǎn)測試過程中都經(jīng)過校準(zhǔn)，因此沒有必要進(jìn)一步校準(zhǔn)。
缺點就是溫度范圍非常有限， 也存在同樣的自熱、不堅固和需要外電源的問題。總之，溫度IC提供產(chǎn)生正比于溫度的易讀讀數(shù)方法，雖然便宜，但也受到配置和速度限制。數(shù)字輸出IC溫度傳感器的響應(yīng)速度慢，而模擬輸出IC溫度傳感器的線性度很高。
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溫度傳感器的優(yōu)點：常見溫度傳感器及優(yōu)缺點_1
引言
利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。如果您要進(jìn)行可靠的溫度測量，就需要為您的應(yīng)用選擇正確的溫度傳感器。熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻（RTD）和溫度 IC 是測試中最常用的溫度傳感器。
1 熱電偶
熱電偶是溫度測量中最常用的傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應(yīng)各種大氣環(huán)境，而且結(jié)實、價低，無需供電，尤其最便宜。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線（金屬 A 和金屬 B）構(gòu)成，如圖 1 所示。當(dāng)熱電偶一端受熱時，熱電偶電路中就有電勢差。可用測量的電勢差來計算溫度。
不過，電壓和溫度間是如圖 2 所示的非線性關(guān)系，溫度由于電壓和溫度是非線性關(guān)系，因此需要為參考溫度（Tref）作第二次測量，并利用測試設(shè)備軟件和∕或硬件在儀器內(nèi)部處理電壓 - 溫度變換，以最終獲得熱偶溫度（Tx）。AgilentA 和 A 數(shù)據(jù)采集器均有內(nèi)置的測量了運算能力。
簡而言之，熱偶是最簡單和最通用的溫度傳感器，但熱偶并不適合高精度的應(yīng)用。
2 熱敏電阻
熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料， 大多為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產(chǎn)工藝有很大關(guān)系。制造商給不出標(biāo)準(zhǔn)化的熱敏電阻曲線。
熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應(yīng)也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。
熱敏電阻在兩條線上測量的是絕對溫度， 有較好的精度，但它比熱偶貴， 可測溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在 25℃時的阻值為 5kω，每 1℃的溫度改變造成 200ω的電阻變化。注意 10ω的引線電阻僅造成可忽略的 0.05℃誤差。它非常適合需要進(jìn)行快速和靈敏溫度測量的電流控制應(yīng)用。尺寸小對于有空間要求的應(yīng)用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。
2.1 測量技巧
熱敏電阻體積小是優(yōu)點，它能很快穩(wěn)定，不會造成熱負(fù)載。不過也因此很不結(jié)實，大電流會造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會在其上因功率而造成發(fā)熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導(dǎo)致永久性的損壞。
3 鉑電阻溫度傳感器
與熱敏電阻相似，鉑電阻溫度傳感器（RTD）也是用鉑制成的熱敏感電阻。當(dāng)通過測量電壓計算 RTD 溫度時，數(shù)字萬用表用已知電流源測量該電流源所產(chǎn)生的電壓。這一電壓為兩條引線（Vlead）上的壓降加 RTD 上的電壓（Vtemp）。例如，常用 RTD 的電阻為 100ω，每 1℃僅產(chǎn)生 0.385ω的電阻變化。如果每條引線有 10ω電阻，就將造成 26℃的測量誤差，這是不可接受的。所以應(yīng)對 RTD 作 4 線歐姆測量。
RTD 是最精確和最穩(wěn)定的溫度傳感器 ，它的線性度優(yōu)于熱偶和熱敏電阻。但 RTD 也是最慢和最貴的溫度傳感器。因此 RTD 最適合對精度有嚴(yán)格要求，而速度和價格不太關(guān)鍵的應(yīng)用領(lǐng)域。
3.1 測量技巧
·使用 5mA 電流源會因自熱造成 2.5℃的溫度測量誤差。因此把自熱誤差減到最小是極為重要的。
·4 線測量更為精確，但需要兩倍的引線和兩倍的開關(guān)。
4 溫度 IC
溫度集成電路（IC）是一種數(shù)字溫度傳感器 ，它有非常線性的電壓∕電流 - 溫度關(guān)系。有些 IC 傳感器甚至有代表溫度、并能被微處理器直接讀出的數(shù)字輸出形式。
4.1 兩類具有如下溫度關(guān)系的溫度 IC
·電壓 IC： 10 mV/K。
·電流 IC： 1μA/K。
溫度 IC 的輸出是非常線性的電壓∕℃。實際產(chǎn)生的是電壓∕Kelvin，因此室溫時的 1℃輸出約為 3V。溫度 IC 需要有外電源。通常溫度 IC 是嵌入在電路中而不用于探測。
溫度 IC 缺點是溫度范圍非常有限， 也存在同樣的自熱、不堅固和需要外電源的問題。總之，溫度 IC 提供產(chǎn)生正比于溫度的易讀讀數(shù)方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。
4.2 測量技巧
·溫度 IC 體積較大，因此它變化慢，并可能造成熱負(fù)載。
·把溫度 IC 用于接近室溫的場合。這是它最流行的應(yīng)用。雖然測量范圍有限，但也能測量 150℃的高溫。
5 結(jié)語
我們已討論了各類常用溫度傳感器的優(yōu)點和缺點。如果您了解必須的權(quán)衡，為您的應(yīng)用仔細(xì)選擇正確的傳感器，您就能避免常見的缺憾而實現(xiàn)可靠的溫度測量。
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溫度傳感器的優(yōu)點：溫度傳感器的性能及優(yōu)缺點的分析
溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀(jì)初人們開始利用溫度進(jìn)行測量。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。
兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現(xiàn)電位差。這個電位差的數(shù)值與不加熱部位測量點的溫度有關(guān)，和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱之為“熱電偶”。不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數(shù)值大約在5～40微伏／℃之間。
熱電偶傳感器有自己的優(yōu)點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。
溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現(xiàn)代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域中，也為我們的生活提供了無數(shù)的便利和功能。
溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。
接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。
溫度計通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、小目標(biāo)或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。
在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學(xué)溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉取５蜏販囟扔嬕蟾袦卦w積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內(nèi)的溫度。
非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。各類輻射測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。
在自動化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實測溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)：式中ε為材料表面發(fā)射率，ρ為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質(zhì)真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實溫度。
