各类常用温度传感器的优点和缺点分析

引言

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。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。热电偶、热敏电阻、铂电阻（RTD）和温度IC是测试中最常用的温度传感器。

1 热电偶

热电偶是温度测量中最常用的传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，尤其最便宜。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，如图1所示。当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。

不过，电压和温度间是如图2所示的非线性关系，温度由于电压和温度是非线性关系，因此需要为参考温度（Tref）作第二次测量，并利用测试设备软件和∕或硬件在仪器内部处理电压-温度变换，以最终获得热偶温度（Tx）。Agilent34970A和34980A数据采集器均有内置的测量了运算能力。

简而言之，热偶是最简单和最通用的温度传感器，但热偶并不适合高精度的应用。

2 热敏电阻

热敏电阻是用半导体材料， 大多为负温度系数，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。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。

热敏电阻体积非常小，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。

热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度， 有较好的精度，但它比热偶贵， 可测温度范围也小于热偶。一种常用热敏电阻在25℃时的阻值为5kΩ，每1℃的温度改变造成200Ω的电阻变化。注意10Ω的引线电阻仅造成可忽略的 0.05℃误差。它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。

2.1 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。

3 铂电阻温度传感器

与热敏电阻相似，铂电阻温度传感器（RTD）也是用铂制成的热敏感电阻。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100Ω，每1℃仅产生0.385Ω的电阻变化。如果每条引线有10Ω电阻，就将造成26℃的测量误差，这是不可接受的。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。

3.1 测量技巧

·使用5mA电流源会因自热造成2.5℃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。

4 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。

4.1 两类具有如下温度关系的温度IC

·电压IC： 10 mV/K。

·电流IC： 1μA/K。

温度IC 的输出是非常线性的电压∕℃。实际产生的是电压∕Kelvin，因此室温时的1℃输出约为3V。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。

温度IC缺点是温度范围非常有限， 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。

4.2 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℃的高温。

5 结语

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。