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常見溫度傳感器及優(yōu)缺點(diǎn)

閱讀：1646        發(fā)布時間：2019-9-4

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，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(diǎn)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

將對測量介質(zhì)的影響降至低之后，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

 

NTC熱敏電阻

鉑RTD

熱電偶

半導(dǎo)體

傳感器

陶瓷 
  金屬氧化尖晶石

鉑繞線式 
  或金屬薄膜

熱電

半導(dǎo)體 
  連接點(diǎn)

溫度范圍（常規(guī)）

-100 ~ +325?C

-200 ~ +650?C

200 ~ +1750?C

-70 ~ 150?C

準(zhǔn)確性（常規(guī)）

0.05 ~ 1.5 ?C

0.1 ~ 1.0?C

0.5 ~ 5.0?C

0.5 ~ 5.0?C

100?C時的 
  長期穩(wěn)定性

0.2?C/年（環(huán)氧）

0.02?C/年（玻璃）


  0.05?C/年（薄膜）

0.002?C/年（電線）

可變，某些類型會隨著

年限的變化而變化

>1?C/年

輸出

NTC電阻

-4.4%/?C（常規(guī)）

PTC電阻

0.00385Ω/Ω/°C

熱電壓

10µV ~ 40µV/°C

數(shù)字，各種輸出

線性度

指數(shù)函數(shù)

相當(dāng)線性

多數(shù)類型呈非線性

線性

所需的電源

恒定電壓或電流

恒定電壓或電流

自供電

4 ~ 30 VDC

響應(yīng)時間

較快，0.12 ~ 10秒

一般較慢，1 ~ 50秒

較快，0.10 ~ 10秒

較慢，5 ~ 50秒

對電噪聲的敏感度

相當(dāng)不敏感，

僅對高電阻敏感

相當(dāng)不敏感

敏感/冷端補(bǔ)償

很大程度上

取決于布局

導(dǎo)線電阻影響

僅低電阻零件

很敏感。

需要三線或四線配置

對短期運(yùn)行無影響。

需要TC延長線。

不適用

成本

低到中

繞線式——高

薄膜——低

低

中

 

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穩(wěn)定的傳感器。熱電偶和半導(dǎo)體的穩(wěn)定性則差。

 

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?？梢哉{(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*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

盡管熱電偶是廉價、應(yīng)用廣泛的傳感器，但NTC熱敏電阻的性價比卻往往是高的。

 

易庫易

 

傳感器的優(yōu)勢和劣勢對比

 

 

NTC熱敏電阻

鉑RTD

熱電偶

半導(dǎo)體

傳感器

陶瓷（金屬氧化尖晶石）

鉑繞線式或金屬薄膜

熱電

半導(dǎo)體

連接點(diǎn)

優(yōu)勢

· 靈敏度

· 精度

· 成本

· 堅固耐用

· 包裝靈活

·  密封

· 表面安裝

· 精度

· 穩(wěn)定性

· 線性度

· 溫度范圍

· 自供電

· 不會自動加熱

· 堅固耐用

· 易于使用

· 板式安裝

·  堅固耐用

·  總成本

劣勢

· 非線性

· 自動加熱

· 潮濕故障
  （僅對于非玻璃設(shè)備）

· 導(dǎo)線電阻錯誤

· 響應(yīng)時間

· 抗振

· 大小

· 包裝限制

· 冷端補(bǔ)償

· 精度

· 穩(wěn)定性

· TC延長線

· 精度

· 有限的應(yīng)用

· 穩(wěn)定性

·  響應(yīng)時間

 

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(diǎn)。

熱電偶傳感器的缺點(diǎn)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*的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。

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(bǔ)償?shù)窒@種影響。當(dāng)測量點(diǎn)遠(yuǎn)離儀表時，還需要使用補(bǔ)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(diǎn)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。

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。

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(jī)、發(fā)電機(jī)及其它高壓設(shè)備的周圍使用。 RTD是目前和穩(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(diǎn)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。

數(shù)字溫度傳感器是微電子技術(shù)、計算機(jī)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(jī)存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。智能溫度傳感器的特點(diǎn)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。

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(diǎn)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。

所有傳感器都有特定的優(yōu)勢和劣勢。要確保項目取得成功，關(guān)鍵是讓傳感器功能與應(yīng)用相匹配。

 

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