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主流的溫度傳感器有哪些?該怎么選?

時(shí)間:2020-03-23點(diǎn)擊:1150次
展至今,作為工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療等行業(yè)常見的傳感器,溫度傳感器發(fā)展至今可謂是百花齊放。按照作用方式來分的話,分為接觸式和非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器包括雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等;非接觸式的基本是根據(jù)黑體輻射的基本定理
展至今,作為工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療等行業(yè)常見的傳感器,溫度傳感器發(fā)展至今可謂是百花齊放。按照作用方式來分的話,分為接觸式和非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器包括雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等;非接觸式的基本是根據(jù)黑體輻射的基本定理,而這類傳感器只有對(duì)黑體所測(cè)的溫度才是真實(shí)溫度,對(duì)于非黑體需要進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正,不過材料表面發(fā)射率的測(cè)試精度很難保證,因?yàn)槠浒l(fā)射率受溫度、波長(zhǎng)、表面狀態(tài)、涂層等因素有關(guān)。
不過,現(xiàn)在主流的溫度傳感器分為四種,即RTD、熱敏電阻、熱電偶以及具有數(shù)字和模擬接口的集成電路傳感器。
RTD
RTD溫度傳感器主要是金屬制成,通過溫度變化影響自身電阻值來測(cè)量溫度。雖然常用金屬有銅、鎳和鎳合金,但是鉑憑借良好的線性、重復(fù)性和穩(wěn)定性穩(wěn)固了溫度參考傳遞國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的地位。RTD的電阻是隨著溫度的上升而增大,但是也并非是很嚴(yán)格線性,根據(jù)下圖我們可以看到,會(huì)產(chǎn)生輕微偏差,一般情況下可以對(duì)電阻值進(jìn)行數(shù)字化處理,查找校正因子。
還是以鉑為例,在性能方面,鉑RTD除了具有上述所說的線性、重復(fù)性和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn),-200~+650℃的測(cè)溫范圍,0.1~1.0℃的測(cè)溫精度上也是比較優(yōu)良的性能。
不過,RTD的缺點(diǎn)也是比較明顯,由于需要恒定電壓/電流,所以通電過程中產(chǎn)生的功率會(huì)影響其所測(cè)溫度,影響準(zhǔn)確度(需進(jìn)一步糾正)。另外,在RTD模擬信號(hào)輸出時(shí),放大器和ADC組件的自身誤差也需要計(jì)算在內(nèi)。
熱敏電阻
類似于RTD,熱敏電阻也是電阻式傳感器。它的分類主要是按照溫度系數(shù)劃定,分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)。PTC主要材料為摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷,而NTC主要材料是過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。
以NTC為例,雖然不是線性變化,但是它的線性度是指數(shù)函數(shù),電阻值隨著溫度的升高而降低。由于其本身材料因素,所以它的整體價(jià)格相對(duì)于鉑RTD來說比較經(jīng)濟(jì),同時(shí),材料選用也是相對(duì)靈活,能夠加工成各式各樣的形狀以及小型化處理。另外,由于其電阻隨溫度變化靈敏,它的測(cè)量精度與鉑RTD不相上下,為0.05~1.5℃。
同樣的,由于通電過程中,產(chǎn)生的自熱和ADC等因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響,所以NTC的測(cè)量結(jié)果也需要進(jìn)行糾正。它的適用溫度范圍相對(duì)來說也比較苛刻,一般在0-150℃左右。需要指出的是,由于NTC元件容易老化,穩(wěn)定性也一般。
熱電偶
熱電偶傳感器是屬于非常常見的接觸式傳感器,通過兩種不同的導(dǎo)體材料兩端接合形成回路。當(dāng)結(jié)合點(diǎn)兩端的溫度不同,回路就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),也稱為熱電勢(shì),根據(jù)熱電勢(shì)的大小,在連接的表盤上顯示溫度。
由于使用材料的靈活性,熱電偶傳感器的測(cè)溫范圍很廣,工作溫度可以達(dá)到2000℃以上,且屬于耐用器件,可用于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境下。同時(shí)它的感應(yīng)接合點(diǎn)是直接暴露的,所以它對(duì)溫度變化的響應(yīng)較快。其實(shí)我們從原理上就可以看出來,熱電偶傳感器不需要外接電源,所以它不容易產(chǎn)生自發(fā)熱。
顯然,熱電偶傳感器在準(zhǔn)確度以及穩(wěn)定性上會(huì)稍遜一籌,它的測(cè)溫精度在0.5-5.0℃,而由于暴露,抗腐蝕性較弱,所以穩(wěn)定性不如RTD和熱敏電阻。
IC類傳感器
IC類溫度傳感器屬于集成式的傳感器,目前分為模擬輸出傳感器、數(shù)字輸出傳感器、遠(yuǎn)程溫度傳感器以及溫度開關(guān)類的具有溫控器功能的傳感器。不過,從主流分類來看,模擬集成溫度傳感器和模擬集成數(shù)字傳感器使用較多。這兩款傳感器都屬于內(nèi)置ADC,將溫度傳感器集成在芯片上進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算、輸出等動(dòng)作。IC類溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于功耗較低,體積小,集成度高,生產(chǎn)測(cè)試過程中已經(jīng)做過校準(zhǔn),所以出廠后無需再次校準(zhǔn)。
缺點(diǎn)在于,它的測(cè)試溫度范圍僅為-70~+150℃,測(cè)溫精度與熱電偶傳感器差不多,為0.5-5.0℃。
在物聯(lián)網(wǎng)成為風(fēng)口、傳感器需求加速增長(zhǎng)的時(shí)代下,溫度傳感器無疑將會(huì)成為重要的器件之一,如何選擇合適的溫度傳感器,需要從溫度范圍、精度、成本等多個(gè)角度考量。


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