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常见温度传感器及优缺点

2019-08-30 10:28 易库易

无论是哪种类型的传感器,所有温度传感器都要考虑以下四大因素:


对所测量的介质没有影响

不管测量什么,最重要的是要确保测量设备自身不会影响所测量的介质。进行接触温度测量?#20445;?#36825;一点尤为重要。选择正确的传感器尺寸和导线配置是重要的设计考虑因素,以减少"杆效应"及其他测量错误。


非常精确

将对测量介质的影响降至最低之后,如何准确地测量介质就变得至关重要。准确性涉及传感器的基本特性、测量准确性等。如果未能解决有关"杆效应"的设计问题,再准确的传感器也无济于事。


响应即?#20445;?#22312;多数情况下)

响应时间受传感器元件质量的影响,还会受到导线的一些影响。通常传感器越小,响应速度越快。

输出易于调节

使用微处理器后可以更轻松地调节非线性输出,因此传感器输出的信号调节也更不成问题。



传感器的特性分析



NTC热敏电阻

RTD

热电偶

半导体

传感器

陶瓷 
  
金属氧化尖晶石

铂绕线式 
  
或金属薄膜

热电

半导体 
  
连接点

温度范围(常规)

-100 ~ +325?C

-200 ~ +650?C

200 ~ +1750?C

-70 ~ 150?C

准确性(常规)

0.05 ~ 1.5 ?C

0.1 ~ 1.0?C

0.5 ~ 5.0?C

0.5 ~ 5.0?C

100?C时的 
  
长期稳定性

0.2?C/年(环氧)

0.02?C/年(玻璃)


  0.05?C/年(薄膜)

0.002?C/年(电线)

可变,某些类型会随着

年限的变化而变化

>1?C/年

输出

NTC电阻

-4.4%/?C(常规)

PTC电阻

0.00385Ω/Ω/°C

热电压

10μV ~ 40μV/°C

数字,各种输出

线性度

指数函数

相当线性

多数类型呈非线性

线性

所需的电源

恒定电压或电流

恒定电压或电流

自供电

4 ~ 30 VDC

响应时间

较快,0.12 ~ 10秒

一般?#19979;? ~ 50秒

较快,0.10 ~ 10秒

?#19979;? ~ 50秒

对电噪声的敏感度

相当不敏感,

仅对高电阻敏感

相当不敏感

敏感/冷端补偿

很大程度上

取决于布局

导线电阻影响

仅低电阻零件

很敏感。

需要三线或四线配置

对短期运行无影响。

需要TC延长线。

不适用

成本

低到中

绕线式——高

薄膜——低


上述每种主要类型的传感器的基本操作理论都有所不同,有各自的特性:


温度范围

每种传感器的温度范围也有所不同。热电偶系列的温度范围最广,跨越多个热电偶类型。


精度

精度取决于基本的传感器特性。所有传感器类型的精度各不相同,不过铂元件和热敏电阻的精度最高。一般而言,精度越高,价格就越高。


长期稳定性

由传感器随时间的推移保持其精度的一致程度来决定。稳定性由传感器的基本物理属性决定。高温通常会降低稳定性。铂和玻璃封装的绕线式热敏电阻是最稳定的传感器。热电偶和半导体的稳定性则最差。


输出变化

传感器输出依照类型而有所变化。热敏电阻的电阻变化与温度成反比,因此具有负温度系数(NTC)。铂等基金属具有正温度系数(PTC)。热电偶的千伏输出较低,并且会随着温度的变化而变化。半导体通常可以调节,附带各种数?#20013;?#21495;输出。


线性度

线性度定义了传感器的输出在?#27426;?#30340;温度范围内一致变化的情况。热敏电阻呈指数级非线性,低温下的灵敏度?#23545;?#39640;于高温下的灵敏度。随着微处理器在传感器信号调节电路中的应用越来越广泛,传感器的线性度愈发不成问题。


电压或电流

通电后,热敏电阻和铂元件都需要恒定的电压或电流。功率调节对于控制热敏电阻或铂RTD中的自动加热至关重要。电流调节对于半导体而言不太重要。热电偶会产生电压输出。


响应时间

即传感器指示温度的速度,取决于传感器元件的尺寸和质量(假定不使用预测方法)。半导体的响应速度最慢,绕线式铂元件的响应速度是第二慢的。铂薄膜、热敏电阻和热电偶提供小包装,因此带有高速选件。玻璃微珠是响应速度最快的热敏电阻配置。


错误偏差

会导致温度指示有误的电噪声是使用热电偶时的一个主要问题。在某些情况下,电阻极高的热敏电阻可能是个问题。

导线电阻可能会导致热敏电阻或RTD等电阻式设备内出现错误偏差。使用低电阻设备(例如100Ω铂元件)或低电阻热敏电阻?#20445;?#36825;种影响会更?#29992;?#26174;。对于铂元件,使用三线或四线导线配置来消除此问题。对于热敏电阻,通常会通过提高电阻值来消除此影响。热电偶必须使用相同材料的延长线和连接器作为导线,否则可能会引发错误。


性价比

尽管热电偶是最廉价、应用最广泛的传感器,但NTC热敏电阻的性价?#28909;?#24448;往是最高的。


传感器的优势和劣势对比



NTC热敏电阻

铂RTD

热电偶

半导体

传感器

陶瓷(金属氧化尖晶石)

铂绕线式或金属薄膜

热电

半导体

连接点

优势

· 灵敏度

· 精度

· 成本

· 坚固耐用

· 包装灵活

·  密封

· 表面安装

· 精度

· 稳定性

· 线性度

· 温度范围

· 自供电

· 不会自动加热

· 坚固耐用

· 易于使用

· 板式安装

·  坚固耐用

·  总成本

劣势

· 非线性

· 自动加热

· 潮湿?#25910;?br/>  (仅对于非玻璃设备)

· 导线电阻错误

· 响应时间

· 抗振

· 大小

· 包装限制

· 冷端补偿

· 精度

· 稳定性

· TC延长线

· 精度

· 有限的应用

· 稳定性

·  响应时间


热电偶传感器

热电偶传感器是一种自发电式传感器,测量时不需要外加电源,直接将被测量转换成电势输出,使用十分方便。它的测温范围很广:-270℃~2500℃,并具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。

热电偶传感器的缺点是灵敏度比较低,容易受到环境的信号干扰,也容易受到前置放大器温漂的影响,不适合测量微小的温度变化。

热电偶传感器的灵敏度与材料的粗细无关,非常细的材料也能够做成温度传感器。由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性,这种细微的测温元件?#23633;?#39640;的响应速度,可以测量快速变化的过程。



对一般的工业应用来说,为了保护感温元件避免受到腐蚀和磨损,总是装在厚厚的护套里面,外观显得笨大,对于温度的反应也迟缓得多。使用热电偶的时候,必须消除环境温度对测量带来的影响。有的把它的自由端放在不变的温度场中,有的使用冷端补偿抵消这种影响。当测量点远离仪表?#20445;?#36824;需要使用补偿导线。

因此选择热电偶时需考虑下列因素:1、被测温度范围;2、所需响应时间;3、连接点类型;4、热电偶或护套材料的抗化学腐蚀能力;5、抗磨损或抗振动能力;6、安装及限制要求等。


热敏电阻

热敏电阻(即“温度敏感型电阻器?#20445;?#26159;一种高精度经济型温度测量传感器。按照温度系数分为NTC(负温度系数)和PTC(正温度系数)两种类型,NTC热敏电阻通常用于温度测量。

主要优势是:灵敏度:热敏电阻能随非常微小的温度变化而变化。精度:热敏电阻能提供很高的绝对精度和误差。成本:对于热敏电阻的高性能,它的性价比很高。坚固性:热敏电阻的构造使得它非常坚固耐用。灵活性:热敏电阻可配置为多种物理?#38382;劍?#21253;括极小的包装。密封:玻璃封装为其提供了密封的包装,从而避免因受潮而导致传感器出现?#25910;稀?/span>表面安装:提供各种尺寸和电阻容差。



热敏电阻的劣势中,通常只有自动加热是一个设计考虑因素。必须采取适当措施将感应电流限制在一个足够低的值,以便使自动加热错误降低到一个可接受的值。如果将热敏电阻暴?#23545;?#39640;热中,将会导致永久性的损坏。

非线性问题可通过软件或电路来解决,会引发?#25910;?#30340;潮湿问题可通过玻璃封装来解决。


电阻温度检测器(RTD)

RTD通常用铂金、铜或镍,它们的温度系数较大,随温度变化响应快,能够抵抗热疲劳,而且易于加工制造成为精密的线圈,尤其用铂金等金属制成?#20445;琑TD非常稳定,不受腐蚀或氧化的影响。RTD的测温原理是:纯金属或某些合金的电阻随温度的升高而增大,随温度降低而减小。电阻-温度变化关系最好是线性的,温度系数(温度系数的定义是单位温度引起的电阻变化)越大越好,而且要能够抵抗热疲劳,随温度变化响应灵敏。目前只有少数几种金属能够满足这样的要求。




RTD还相对防止电气噪声,因此非常适合在工业环境中的温度测量,特别是在电动机、发电机及其它高压设备的周围使用。 RTD是目前最精确和最稳定的温度传感器。它的线性度优于热电偶和热敏电阻。但RTD也是响应速度?#19979;?#32780;且价格比较贵的温度传感器。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。


IC温度传感器

包括模拟输出和数?#36136;?#20986;两种类型。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控测,不需要进行非线性校准,外围电路简单。



数字温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前有多种智能温度传感器系列产品,智能温度传感器内部?#21450;?#21547;温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和?#27426;?#23384;储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU);并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化和谐也取决于软件的开发水平。



IC温度传感器有许多好处,包括:功耗低;可提供小型封装产品(有些尺寸小到0.8mm×0.8mm);还可在某些应用中实现低器件成本。此外,由于IC传感器在生产测试过程中都经过校准,因此没有必要进一步校准。

缺点就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,虽然便宜,但也受到配置和速度限制。数?#36136;?#20986;IC温度传感器的响应速度慢,而模拟输出IC温度传感器的线性度很高。


所有传感器都有特定的优势和劣势。要确保项目取得成功,关键是让传感器功能与应用相匹配。

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