簡介

溫度是工程師和科學家們經常需要測量的物理量。從高加速壽命測試（HALT）/高加速應力篩選（HASS）到動力計測試單元和微處理器測試驗證，溫度測量在大量應用中都發揮關鍵性作用。現代測試測量系統已經克服了溫度測量中可能遇到的種種困難，非常便于用戶使用，但是，理解相關理論、熟悉操作流程并了解其內在缺陷，將有助于您在進行溫度測量時更加得心應手。

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

熱電偶是最常用的溫度傳感器，具有最低的價格、最廣的溫度范圍，并且堅固耐用，但是精準度相對偏低。RTD雖然價格偏高，但具有更好的精準度和穩定性。熱敏電阻比RTD更具價格優勢，比熱電偶精準度更高，而且具有極佳的靈敏度，但測溫范圍相對狹窄。

針對不同應用，每種傳感器都有各自的優缺點，適用于不同的測試測量系統。舉例來說，熱電偶構造簡單，僅由一端連接在一起的兩根不同材質的導線構成，但簡單的設備需要測量系統做更多的工作，例如信號放大、濾波和冷端補償（CJC）。RTD和熱敏電阻則提出不同要求，因為二者都是電阻式設備，所以需要電流源來講電阻轉為電壓，另外，RTD還需要搭配額外的電路，以最大化精準度和靈敏度。

理解每種溫度傳感器的基本原理，有助于您在工程應用中做出更好的選擇。

RTD溫度測量

RTD傳感器基礎知識

電阻式溫度探測器（RTD）由具有較高正溫度系數的電阻組成。大多數RTD都是簡單的繞線電阻或薄膜電阻，并已知其阻值隨溫度變化的關系。不同RTD之間精準度差別很大，最精準的RTD是遵循NIST溫度標準的。

鉑是應用最為廣泛的RTD材料，鉑電阻從10Ω至10kΩ不等，常用0°C下為100Ω的鉑電阻。業內使用的鉑質導線具有標準的溫度系數，α=0.00385Ω/Ω/°C，化學上的純鉑溫度系數為0.00392Ω/Ω/°C。

下式列出了特定溫度系數α下傳感器電阻的相對變化量與溫度的關系。

公式2：RTD溫度系數

ΔR = αRoΔT

其中：

α = 溫度系數，單位Ω/Ω/°C

Ro = 0 °C下的標稱阻值，單位Ω

ΔT = 相對于0°C的溫度偏移量，單位°C

鉑導線在0°C時標稱阻值100Ω，并隨溫度以0.385Ω/°C的斜率變化。如溫度升高10°C，鉑導線的阻值將從100Ω上升至103.85Ω，若溫度下降10°C，阻值將降低為96.15Ω。

由于RTD傳感器的阻值和溫度系數都相對較低，所以即便是電阻僅為10Ω、溫度系數稍高的導線，也會影響數據采集系統的精度，具體體現在隨溫度變化的導線電阻，將疊加到RTD傳感器的輸出上，對溫度測量噪聲明顯誤差。

測量RTD（或其他任何電阻式傳感器）的電阻值時，在其兩端加以已知電壓，然后測得電流，并通過歐姆定律算出電阻。為了避免導線引入的測量誤差，可以使用一組導線連接傳感器和電壓源，同時使用另一組導線連接傳感器和信號調理電路，這就是所謂的4線法，既能夠直接測量傳感器輸出電壓，又消除了導線引入的誤差。

測量方法：

2線法、3線法和4線法

五種適用于RTD測量的電路，分別使用2線法、3線法和4線法：2線-電流源、3線-電流源、4線-電流源、3線-電壓源、4線-電壓源。

圖9展示了一種基本的2線電阻測量法，用歐姆表直接測量RTD電阻。除非已知線電阻和溫度系數，否則這種方式很少使用，而通常情況是，二者都是未知數，并且很難進行測量。

圖9：2線RTD測量法。最簡單的RTD測量電路，僅由兩根導線把RTD和歐姆表串聯起來。

圖10展示了一種基本的使用電流源的4線測量法，RTD電阻等于電壓除以電流。這種方式的精度比2線法高很多，但需要4根線以及一個非常穩定的電流源。阻抗極高的電壓表支路上不會出現明顯的電流，因此Vm即是RTD兩端的電壓。

圖10：使用電流源的4線RTD測量法。使用電流源的4線RTD測量法有效消除了線電阻導致的測量誤差。

公式3：使用電流源的4線RTD測量法

圖11展示了一種基本的使用電流源的3線測量法。Va和Vb分別代表開關（或復用器）切換至S1和S2時，高阻抗電壓表測得的電壓，通過Kirchhoff電壓定律和兩個節點方程即可算出RTD的阻值。相比于圖10中的電路，此電路的好處是節省導線，但必須盡力保證兩根導線的線電阻相等。

圖11：使用電流源的3線RTD測量法。使用電流源的3線RTD測量法類似于普通的3線法，只是免去了一根多余的導線。先測量Va，再測量Vb。

公式4：使用電流源的3線RTD測量法

圖12展示了一種使用電壓源的4線測量技術。可以根據Kirchhoff電壓定律和4個節點(Va,Vb,Vc,Vd)方程算出RTD的阻值。另外，只要檢測電阻穩定，允許電路中的電壓源稍有波動。

圖12：使用電壓源的4線RTD測量法。在4線法中使用電壓源比使用電流源更加復雜，但在檢測電阻足夠穩定的情況下，允許電壓源稍有波動。

公式5：使用電壓源的4線RTD測量法

圖13展示了一種使用電壓源的3線測量技術。可以根據Kirchhoff電壓定律和3個節點方程算出RTD的阻值，只要檢測電阻足夠穩定，電壓源允許稍有波動，并且在兩根電流線的線電阻相等的情況下，可以達到很高的精準度。

圖13：使用電壓源的3線RTD測量。這是檢測電阻足夠穩定時，使用電壓源的4線法的變種形式。

公式6：使用電壓源的3線RTD測量

相對于熱電偶來說，RTD的輸出信號線性度更好，但測溫范圍較窄。下列Callendar-Van Dusen方程常用于計算RTD的電阻：

公式7：RTD曲線擬合

另一種方法，在4種不同溫度下測量RTD電阻，并以此來求解一個20次多項式方程，這比Callendar-Van Dusen方程更加精確。圖14展示了此多項式的函數曲線，顯然，在800°C以下時，RTD的特性曲線比熱電偶更加線性，但RTD的最高工作溫度也僅限于800°C。

圖14：S型熱電偶 vs. 鉑質RTD。鑒于優良的穩定性和抗腐蝕性，鉑常用做制作RTD和熱電偶。此圖顯示800°C以下時，RTD的特性曲線比熱電偶更加線性。

注意事項

熱效應

RTD測溫應用中，另一個誤差來源是電阻的熱效應。電流I流過RTD時，將在電阻R上產生熱功率

例如，1mA電流流過100Ω的RTD，熱功率100μW。雖然看起來微不足道，但足以使RTD的溫度明顯升高，每1mW的功率可使RTD升溫1°C。當試圖利用小阻值的RTD以得到更迅速的響應時，不要忘記熱效應導致的誤差仍然存在。

在空氣中，熱效應造成的標準誤差為1°C/mW，若將RTD放置在能夠進行熱傳導的介質中，熱量便會傳導至整個介質，并適當降低誤差，例如在流速1m/s的空氣中，熱效應誤差僅為0.1°C/mW。在滿足分辨率要求的情況下，減小激勵電流以及使用體積更大的RTD，也是抑制熱效應誤差的有效手段。

輸入掃描

電流越低，產生的熱量越少，通常使用100μA至500μA的激勵電流，即可將熱功率限制在可承受范圍之內。如果再進一步降低電流，RTD將極易受到噪聲影響，精度嚴重降低，測量變得難以進行。另外，僅在進行測量時，才通以電流，同樣可以達到降低發熱的目的，例如，在多路復用的測量系統中，激勵電流也可以像模擬輸入一樣，進行多路復用，如果有16路信號輸入，電流僅出現在16路RTD中正在測量的那一路上，發熱功率瞬間降低至6%。這種方法的缺點是在引入了一個時間常數，導致溫度測量具有一定程度的延遲。

圖15：恒流源掃描模式。恒流源在多個RTD支路間輪流切換，使RTD在測量間隔時間內充分冷卻，以降低電阻發熱導致的誤差。

恒定電流激勵和比值式電流激勵是兩種實用的多路RTD掃描方式。圖15演示了恒定電流激勵法——500μA的電流在16個通道間切換，通過多路復用器的引導，電流將出現在正在進行測量的RTD支路上。3線法和4線法中都可以使用這種技巧，以消除電阻發熱導致的誤差。恒定電流激勵法的優點是電路結構簡單、噪聲抑制能力強，缺點是外部穩定恒流源的成品偏高。

圖16：比值式4線RTD測量法。每測量一路RTD，都需讀取四個電壓值，精密電阻用于測量流過RTD的電流Is，Vb和Vc分別為RTD兩端電壓，電阻則為 (Vb - Vc) / Is。

相比之下，比值法使用了恒定電壓源，來提供流經RTD電阻和精密電阻Rd的電流Is。并在測量每路RTD時，讀取四個電壓Va、Vb、Vc和Vd（見圖16）。電流、電壓和電阻的關系如下所示：

公式8：比值式4線RTD測量法

對于3線法（圖17），電壓Va-Vb代表一根導線上的壓降，又因為兩根線的材料完全相同（必須保證等長），所以在此假設兩根導線上的壓降也相等，最后，RTD兩端電壓及其阻值如下所示：

公式9：比值式3線RTD測量法

其他注意事項

熱電偶的一些使用細節，同樣應在RTD應用中受到重視，包括信號屏蔽、外界壓力、正確的組裝方式、適當的保護外殼、陡峭的溫度梯度以及使用直徑較大的補償導線等問題。另外，RTD比熱電偶更易破碎，使用時必須多加防護；RTD的質量通常比熱電偶更大，熱量分流問題更需要妥善應對。

圖17：比值式3線RTD測量法。比值式3線RTD測量電路假設傳感器的2根通有電流的導線具有等值線電阻，這是精確計算RTD電阻的必要前提。

表3：RTD電阻對比：低阻值 vs. 高阻值。雖然阻值較低的RTD具有更快的溫度響應，但測溫精度更容易受到熱效應的影響。