主流的传感器有哪些?该怎么选?

发布时间:2021年01月20日

主流的温度传感器有哪些?该怎么选?

16世纪末,伽利略制造了一个显示温度变化的装置,利用容器内空气收缩原理,观察水柱的高度来判断 温度的变化。而我们目前所知道的温度计是由三托里奥在1612年发明的,但当时他也只是做出了一个雏形。

发展至今,作为工业、物联网、医疗等行业最常见的传感器,温度传感器发展至今可谓是百花齐放。按照作用方式来分的话,分为接触式和非接触式温度传感器。接触式温度传感器包括双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等;非接触式的基本是根据黑体辐射的基本定理,而这类传感器只有对黑体所测的温度才是真实温度,对于非黑体需要进行材料表面发射率的修正,不过材料表面发射率的测试精度很难保证,因为其发射率受温度、波区、表面状态、涂层等因素有关。

现在主流的温度传感器分为四种,即RTD、热敏电阻、热电偶以及具有数字和模拟接口的集成电 路传感器。

RTD温度传感器

主要是金属制成,通过温度变化影响自身电阻值来测量温度。虽然常用金属有铜、镣和 镣合金,但是钳凭借良好的线性、重复性和稳定性稳固了温度参考传递国际标准的地位。RTD的电阻是随着 温度的上升而増大,但是也并非是很严格线性,根据下图我们可以看到,会产生轻微偏差,一般情况下可以 对电阻值进行数字化处理,查找校正因子。

还是以钳为例,在性能方面,钳RTD除了具有上述所说的线性、重复性和稳定性的优点,-200~+650°C的测温范围,0.1~1.0°C的测温精度上也是比较优良的性能。

但是RTD的缺点也是比较明显,由于需要恒定电压/电流,所以通电过程中产生的功率会影响其所测 温度,影响准确度(需进一步纠正)。另外,在RTD模拟信号输出时,放大器和ADC组件的自身误差也需要计 算在内。

主流的传感器有哪些?该怎么选?

热敏电阻

类似于RTD,热敏电阻也是电阻式传感器。它的分类主要是按照温度系数划定,分为正温度系数热敏电 阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)。PTC主要材料为掺杂的BaTiO3半导体陶瓷,而NTC主要材料 是过渡金属氧化物半导体陶瓷。

以NTC为例,虽然不是线性变化,但是它的线性度是指数函数,电阻值随着温度的升高而降低。由于其 本身材料因素,所以它的整体价格相对于钳RTD来说比较经济,同时,材料选用也是相对灵活,能够加工成 各式各样的形状以及小型化处理。另外,由于其电阻随温度变化极为灵敏,它的测量精度与钳RTD不相上下,为0.05~1.5°C。

同样的,由于通电过程中,产生的自热和ADC等因素会对测量结果造成影响,所以NTC的测量结果也需 要进行纠正。它的适用温度范围相对来说也比较苛刻,一般在0-150°C左右。需要指出的是,由于NTC软件 容易老化,稳定性也一般。

热电偶

热电偶传感器是属于非常常见的接触式传感器,通过两种不同的导体材料两端接合形成回路。当结合点 两端的温度不同,回路就会产生电动势,也称为热电势,根据热电势的大小,在连接的表盘上显示温度。

由于使用材料的灵活性,热电偶传感器的测温范围很广,工作温度最高可以达到2000°C以上,且属于 耐用器件,可用于危险恶劣的环境下。同时它的感应接合点是直接暴露的,所以它对温度变化的响应较快。 其实我们从原理上就可以看出来,热电偶传感器不需要外接电源,所以它不容易产生自发热。

显然,热电偶传感器在准确度以及稳定性上会稍逊一筹,它的测温精度在0.5-5.0°C,而由于暴露,抗腐蚀性较弱,所以稳定性不如RTD和热敏电阻。

 

IC类传感器

IC类温度传感器属于集成式的传感器,目前分为模拟输出传感器、数字输出传感器、远程温度传感器与 及温度开关类的具有温控器功能的传感器。不过,从主流分类来看,模拟集成温度传感器和模拟集成数字传 感器使用较多。这两款传感器都属于内置ADC,将温度传感器集成在芯片上进行测量、计算、输出等动作。 IC类温度传感器的优点在于功耗较低,体积小,集成度高,生产测试过程中已经做过校准,所以出厂后无需 再次校准。

缺点在于,它的测试温度范围仅为-70~ + 150°C,测温精度与热电偶传感器差不多,为0.5-5.0°C。

在物联网成为风口、传感器需求加速增长的时代下,温度传感器无疑将会成为最重要的器件之一,如何 选择合适的温度传感器,需要从温度范围、精度、成本等多个角度考量。

 


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