簡(jiǎn)介

溫度是工程師和科學(xué)家們經(jīng)常需要測(cè)量的物理量。從高加速壽命測(cè)試（HALT）/高加速應(yīng)力篩選（HASS）到動(dòng)力計(jì)測(cè)試單元和微處理器測(cè)試驗(yàn)證，溫度測(cè)量在大量應(yīng)用中都發(fā)揮關(guān)鍵性作用。現(xiàn)代測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)克服了溫度測(cè)量中可能遇到的種種困難，非常便于用戶使用，但是，理解相關(guān)理論、熟悉操作流程并了解其內(nèi)在缺陷，將有助于您在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)更加得心應(yīng)手。

本文深入探討了以下幾種應(yīng)用廣泛的溫度傳感器：熱電偶、電阻式溫度檢測(cè)器（RTD）、熱敏電阻。每種傳感器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適合于不同應(yīng)用需求（見表1）。

熱電偶是最常用的溫度傳感器，具有最低的價(jià)格、最廣的溫度范圍，并且堅(jiān)固耐用，但是精準(zhǔn)度相對(duì)偏低。RTD雖然價(jià)格偏高，但具有更好的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。熱敏電阻比RTD更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)，比熱電偶精準(zhǔn)度更高，而且具有極佳的靈敏度，但測(cè)溫范圍相對(duì)狹窄。

針對(duì)不同應(yīng)用，每種傳感器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。舉例來(lái)說(shuō)，熱電偶構(gòu)造簡(jiǎn)單，僅由一端連接在一起的兩根不同材質(zhì)的導(dǎo)線構(gòu)成，但簡(jiǎn)單的設(shè)備需要測(cè)量系統(tǒng)做更多的工作，例如信號(hào)放大、濾波和冷端補(bǔ)償（CJC）。RTD和熱敏電阻則提出不同要求，因?yàn)槎叨际请娮枋皆O(shè)備，所以需要電流源來(lái)講電阻轉(zhuǎn)為電壓，另外，RTD還需要搭配額外的電路，以最大化精準(zhǔn)度和靈敏度。

理解每種溫度傳感器的基本原理，有助于您在工程應(yīng)用中做出更好的選擇。

熱電偶溫度測(cè)量

熱電偶的溫度梯度

熱電偶應(yīng)用最為廣泛，但工作原理卻鮮為人知。兩根導(dǎo)線連接在一起，便組成了簡(jiǎn)單高效的傳感器，接入電路時(shí)，可輸出正比于兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度差的直流低壓信號(hào)（見圖1）。

圖1：T型熱電偶基本電路。一個(gè)典型的熱電偶測(cè)量系統(tǒng)需要兩個(gè)傳感器：一個(gè)用于測(cè)量環(huán)境溫度，另一個(gè)用作溫度參考，通常保持在0°C (32 °F)。 

傳感器一端保持恒定的參考溫度，而另一端則放置于待測(cè)環(huán)境中。其工作原理是導(dǎo)線開路處的熱電動(dòng)勢(shì)（EMF）與兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度差有關(guān)，該效應(yīng)按照發(fā)明者的名字——Thomas Johann Seebeck，命名為“Seebeck效應(yīng)”。傳感器開路處的電壓以及測(cè)溫范圍就取決于Seebeck系數(shù)，進(jìn)而取決于熱電偶兩個(gè)電極的化學(xué)成分。Seebeck電壓可通過(guò)下式計(jì)算：

公式1：Seebeck電壓。

ΔeAB = αΔT

其中：

eAB = Seebeck電壓

T = 熱電偶所測(cè)的溫度

α = Seebeck系數(shù)

Δ = 溫度變化導(dǎo)致的輸出電壓變化

單獨(dú)一個(gè)熱電偶結(jié)點(diǎn)并不會(huì)產(chǎn)生電壓，實(shí)際上，其輸出端的電壓或電勢(shì)差是結(jié)點(diǎn)T1溫度和開路端T1’溫度的函數(shù)。T1’必須維持在一個(gè)恒定的溫度（比如0°C），來(lái)確保輸出電壓隨T1端的溫度線性變化。理論上，熱電偶可以用任意兩種不同材料制成，比如鎳和鐵，但實(shí)際上，只有很少一些類型的熱電偶能夠成為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗麄兙哂锌筛叨仍佻F(xiàn)的溫度系數(shù)，堅(jiān)固耐用，且輸出電壓相對(duì)較低。最常見的熱電偶類型有J、K、T和E，還有一些類型使用不是很廣泛，如N28、N14、S、R和B（見表2）。理論上，熱電偶的電極溫度可以根據(jù)Seebeck電壓和一張標(biāo)準(zhǔn)表格推算出來(lái)。實(shí)際上，推算出的電壓并不準(zhǔn)確，因?yàn)樵跓犭娕嫉你~絲與導(dǎo)線的接線處也存在一個(gè)熱電偶連接點(diǎn)（除非熱電偶導(dǎo)線的材料也是銅），并產(chǎn)生額外的EMF，這些誤差必須使用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行補(bǔ)償。

利用Seebeck效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，必須牢記所得到的溫度是熱電偶兩端的溫度差，因此必須選取一個(gè)溫度參考點(diǎn)，將相對(duì)溫度轉(zhuǎn)換為熱電偶工作端的絕對(duì)溫度。在早期的測(cè)量系統(tǒng)中，最簡(jiǎn)便的方法是使用冰浴，以提供穩(wěn)定的0°C參考溫度，而現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)使用溫度傳感IC或軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)替代冰浴。為了更好地闡述熱電偶的理論知識(shí)，本文將依次介紹冰浴法和軟件補(bǔ)償法。

冷端補(bǔ)償

將熱電偶串聯(lián)一個(gè)放置于冰浴中的冷端熱電偶，是補(bǔ)償儀器接線端EMF的經(jīng)典方法（見表2）

表2：常用熱電偶類型。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）頒布的熱電偶EMF表顯示了冷端保持在0°C時(shí)，熱電偶的EMF值。

在本例中，兩根銅導(dǎo)線分別連接至設(shè)備的輸入端，可以考慮使用一個(gè)單獨(dú)的由銅和康銅組成的熱電偶，并將其工作端放置在冰浴中，作為溫度參考點(diǎn)（如圖2所示）。冰浴中的熱電偶工作端J2會(huì)產(chǎn)生較低的EMF，來(lái)抵消熱電偶J1端的EMF，從而使測(cè)量?jī)x器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的溫度測(cè)量更加精準(zhǔn)。而另一端，銅電極連接銅導(dǎo)線，二者溫度相同，所以不需要進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，讀到的電壓就完全是熱電偶的銅電極和康銅電極之間的電壓差。

圖2：經(jīng)典的冰浴法1。此方法使用2個(gè)T型熱電偶來(lái)保證測(cè)量系統(tǒng)輸入端的銅質(zhì)材料不會(huì)產(chǎn)生額外的結(jié)點(diǎn)。

上面的例子是一個(gè)特例，因?yàn)?span>T型熱電偶的一個(gè)電極是銅質(zhì)的。而另一個(gè)例子，康銅和鐵組成的熱電偶，則需要考慮更多因素（見圖3）。工作端J2放在冰浴中，作為恒溫參考點(diǎn)，J1用來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度，而在儀器連接端，雖然也形成了熱電偶的工作端J3和J4，但他們溫度相同，輸出電壓大小相等，一正一負(fù)，相互抵消。

圖3：經(jīng)典的冰浴法2。熱電偶的電極和測(cè)量?jī)x器連接端的材料不同（分別為鐵和銅），為了最小化測(cè)量誤差，需要使J3和J4具有相同的溫度梯度。

在此基礎(chǔ)上，再利用NIST的標(biāo)準(zhǔn)表格進(jìn)行校準(zhǔn)，熱電偶J1即可精確測(cè)量T1的溫度。倘若兩個(gè)IO連接端的溫度不等，則還需構(gòu)造兩個(gè)銅-鐵熱電偶（J2和J3），并置于冰浴中（如圖4所示）。

圖4：經(jīng)典的冰浴法3。熱電偶電極和測(cè)量?jī)x器連接端都是銅質(zhì)的，無(wú)需再做等溫處理，并且銅的溫度梯度不會(huì)受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)影響。

軟件補(bǔ)償

在大型測(cè)試設(shè)備中，使用冰浴法將導(dǎo)致很多溫度參考結(jié)點(diǎn)，嚴(yán)重增加了設(shè)備安裝和維護(hù)的困難程度，幸運(yùn)的是，有許多替代方案可供選擇。例如在軟件中依照NIST標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)連接端的EMF進(jìn)行補(bǔ)償。

放棄了冰浴法，仍然需要其他冷端補(bǔ)償方式來(lái)保證溫度測(cè)量的精準(zhǔn)度。軟件需要知道等溫塊的溫度，一種被廣泛使用的技術(shù)是把熱敏電阻放在等溫塊附近，并連接至外部熱電偶，二者所在的區(qū)域必須保持溫度處處相等。設(shè)置好各輸入通道所連接的熱電偶類型后，即可獲取等溫塊和環(huán)境的動(dòng)態(tài)溫度，并在軟件中通過(guò)計(jì)算多項(xiàng)式的方法，最終得到環(huán)境的真實(shí)溫度。允許同時(shí)連接多種類型的熱電偶，軟件會(huì)自動(dòng)處理各自的溫度轉(zhuǎn)換。

熱電偶溫度測(cè)量中的陷阱與誤區(qū)

環(huán)境噪聲

熱電偶產(chǎn)生的電壓相對(duì)較低，極易被噪聲干擾，最常見的是工頻干擾（50Hz或60Hz），而大多數(shù)測(cè)溫系統(tǒng)的帶寬都低于50Hz，所以只需在輸入端接一級(jí)簡(jiǎn)單的濾波器即可降低交流干擾。常用的濾波器，如無(wú)源濾波器，僅由電阻和電容組成，而有源濾波器則包含一個(gè)運(yùn)放。無(wú)源RC濾波器不但成本低，而且在模擬電路中工作得很好，但由于存在負(fù)載效應(yīng)，不建議使用在多路復(fù)用器前端，而有源濾波器中包含運(yùn)放，因此十分適用于多路復(fù)用系統(tǒng)，只是價(jià)格稍貴且電路復(fù)雜。最后，如需在每個(gè)輸入通道上使用有源濾波器，需要對(duì)增益誤差和偏移誤差進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償（見圖5）。

圖5A：無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器可以設(shè)計(jì)成各種形式，適用于不同應(yīng)用。一階或多階的形式可有效抑制高頻噪聲。

圖5B：有源濾波器。有源濾波器可以輕松抑制熱電偶輸出信號(hào)中混雜的大部分電氣噪聲，包括50Hz/60Hz的工頻干擾。

注意事項(xiàng)

熱電偶的組裝

通常，兩根不同的導(dǎo)線纏繞在一起組成熱電偶，并在某一端通過(guò)焊接形成結(jié)點(diǎn)，如果使用不正確的制作方法，可能導(dǎo)致各種各樣的問(wèn)題。例如，兩根導(dǎo)線的連接處不能使用簡(jiǎn)單的纏繞連接方法，應(yīng)該使用錫焊或直接焊接法，對(duì)于200°C以下的溫度測(cè)量，錫焊的方式是可取的，但同時(shí)會(huì)引入第三種金屬成分，例如鉛錫合金，不過(guò)，如果能夠保證結(jié)點(diǎn)兩端溫度相等，就不會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。直接焊接結(jié)點(diǎn)是最好的方法，但必須保證不會(huì)影響導(dǎo)線的物理/化學(xué)性質(zhì)。工業(yè)上生產(chǎn)熱電偶時(shí)，一般使用電容放電的方式來(lái)完成焊接，以確保焊點(diǎn)均勻、無(wú)污染。

當(dāng)熱電偶導(dǎo)線的物理成分發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致不精準(zhǔn)甚至錯(cuò)誤的溫度測(cè)量，且不再符合NIST標(biāo)準(zhǔn)。改變物理成分的原因多種多樣，如暴露在極端溫度下、對(duì)金屬進(jìn)行冷加工、安裝時(shí)施加在導(dǎo)線上的力過(guò)大、劇烈震動(dòng)或溫度梯度等因素。

溫度升高將導(dǎo)致熱電偶的兩個(gè)電極間絕緣性變差，甚至改變其輸出電壓，這種改變可能呈指數(shù)增長(zhǎng)，并最終形成一個(gè)很小的漏電阻，以至于旁路掉熱電偶開路檢測(cè)電路。在使用細(xì)熱電偶的高溫測(cè)量應(yīng)用中，虛擬結(jié)點(diǎn)可能成為影響兩個(gè)電極絕緣性的因素（如圖6所示），使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量到的是虛擬結(jié)點(diǎn)T1的溫度，而不是真實(shí)測(cè)溫點(diǎn)T2的溫度。

圖6：虛擬結(jié)點(diǎn)。熱電偶兩個(gè)電極間隔離失效或短路，可能形成意想不到的熱電偶結(jié)點(diǎn)，成為虛擬結(jié)點(diǎn)。

另外，高溫可能導(dǎo)致電極絕緣材料釋放出雜質(zhì)或其他化學(xué)成分，并擴(kuò)散進(jìn)熱電偶電極中，改變其物理/化學(xué)性質(zhì)，使得電壓和溫度的換算系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生偏差。進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，可能最小化此誤差。

熱電偶的隔離

熱電偶的隔離能夠降低接地回路引入的噪聲和誤差。這是一個(gè)十分棘手的問(wèn)題，尤其是熱電偶的導(dǎo)線很長(zhǎng)，并且機(jī)體（或其他較大的金屬）和熱電偶測(cè)量設(shè)備直接相連時(shí)，二者可能具有不同的參考地電位，在沒有隔離的情況下，地回路能夠引入相當(dāng)大的誤差。

自動(dòng)零點(diǎn)校正

從測(cè)溫通道的讀數(shù)中減去該通道短路時(shí)的讀數(shù)，可有效降低時(shí)漂和溫漂的影響，雖然影響微弱，但和熱電偶的輸出信號(hào)相比，卻是不可忽略的。

補(bǔ)償漂移的有效手段只需兩步。首先，通道內(nèi)部切換至參考點(diǎn)，使電容上充滿偏移電壓。然后，通道切換回模擬輸入，并將熱電偶的輸出電壓與偏移電壓分別送至差分放大器的兩個(gè)輸入端，偏移誤差即自動(dòng)被減掉（見圖7）。

圖7：自動(dòng)零點(diǎn)校正。自動(dòng)零點(diǎn)校正用于補(bǔ)償模擬電路引起的時(shí)漂和溫漂，雖然漂移很小，卻和熱電偶輸出信號(hào)接近。

熱電偶開路檢測(cè)

在多通道系統(tǒng)上，簡(jiǎn)單快速地檢測(cè)出開路的熱電偶是非常重要的。震動(dòng)、接觸不良和長(zhǎng)時(shí)間的使用都可能導(dǎo)致熱電偶損壞或阻抗提高，將一個(gè)小電容放置在熱電偶兩個(gè)電極之間，并通以小電流，便組成了一個(gè)簡(jiǎn)單的熱電偶開路檢測(cè)電路。正常工作的熱電偶阻抗極低，使電容器兩端呈虛短狀態(tài)，電容不會(huì)充電，但當(dāng)熱電偶開路或阻抗顯著變化時(shí)，將導(dǎo)致電容充電至飽和電壓，可以據(jù)此來(lái)判斷熱電偶是否失效（見圖8）。

圖8：熱電偶開路檢測(cè)。熱電偶將電容短路，使其無(wú)法通過(guò)電阻充電。操作不當(dāng)或劇烈震動(dòng)導(dǎo)致熱電偶開路時(shí)，電容將充電，并使運(yùn)放輸出飽和，以示熱電偶失效。

電蝕作用

某些熱電偶的絕緣材料沾有少量電解液，這會(huì)在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生微弱電壓，進(jìn)而導(dǎo)致比開路電壓高出百倍的信號(hào)輸出。因此，正確的組裝方法應(yīng)該對(duì)熱電偶的兩個(gè)電極做適當(dāng)隔離，避免暴露在高濕度環(huán)境中或液體接觸。

熱分流

理想熱電偶不會(huì)對(duì)待測(cè)溫度造成任何干擾，但實(shí)際上，熱電偶不能看作質(zhì)點(diǎn)，仍然具有一定的質(zhì)量，或多或少會(huì)引入一些溫度偏移。使用更細(xì)的導(dǎo)線可減輕質(zhì)量，但同時(shí)也更易受污染、壓力和分流電阻等因素的影響。解決此問(wèn)題的一種方式是在熱電偶的工作結(jié)點(diǎn)處使用輕質(zhì)材料，同時(shí)使用與熱電偶類型相匹配的、質(zhì)量偏重的補(bǔ)償導(dǎo)線，其串聯(lián)等效電阻相對(duì)較低，并且相對(duì)于優(yōu)質(zhì)補(bǔ)償導(dǎo)線，更容易穿過(guò)導(dǎo)管，除了尺寸優(yōu)勢(shì)，價(jià)格也比標(biāo)準(zhǔn)熱電偶導(dǎo)線更便宜。

盡管存在大量?jī)?yōu)勢(shì)，但這種補(bǔ)償導(dǎo)線只能工作在很窄的溫度范圍內(nèi)，且容易發(fā)生形變，所以，必須最小化補(bǔ)償導(dǎo)線上的溫度梯度，以保證溫度測(cè)量的精準(zhǔn)度。

提高精準(zhǔn)度

熱電偶的導(dǎo)線遵循NIST規(guī)范，如果能在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)，則可以進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度。