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。

熱敏電阻溫度測量

熱敏電阻基本原理

類似于RTD，熱敏電阻的阻值也是隨溫度變化而變化的，但溫度系數可正可負，而且變化程度更劇烈，這使其對溫度更為敏感，不過也因此限制了測溫范圍。

熱敏電阻通常由半導體材料或常見氧化物組成，如鈷、銅、鐵、錳、鎂、鎳等，并被3-6英寸的外殼密封起來，外殼上標有色環以示阻值大小。25°C時，熱敏電阻的標稱阻值從2000Ω至10000Ω不等，精度范圍±15°C至±1°C。最常使用的是2252Ω的熱敏電阻，適用于大部分測量儀器。器件一般附帶溫度-阻值特性曲線，以便根據測得的阻值來確定當前溫度，而特性曲線是嚴重非線性的，因此需要借助Steinhart-Hart公式計算溫度值：

公式10：熱敏電阻測溫

參數A、B、C可通過3個方程聯立（分別已知R1-T1，R2-T2和R3-T3）來確定，使用插值法能夠提高分辨精度至0.01°C，甚至更精確。

線性化

某些制造商生產的熱敏電阻具有近似線性的輸出響應。他們使用多個熱敏電阻（正溫度系數和負溫度系數）或混合使用熱敏電阻與金屬膜電阻，使得在某一電路中，能夠產生隨溫度線性變化的電壓或電阻。下面的公式描述了熱敏電阻分壓器的輸出特性：

公式11：熱敏電阻分壓器

圖18：線性化熱敏電阻的輸出電壓。串聯補償電阻，可使熱敏電阻的輸出特性更線性化，斜率接近其S形輸出曲線的中點，在此溫度下，靈敏度最佳，而且可向兩端擴展很大的范圍。

熱敏電阻R的電壓-溫度特性曲線接近于S形，其中間部分非常線性，若額外添加一個合適的電阻或熱敏電阻，可顯著擴展其線性范圍，傳輸函數 Y = mX + b：

公式12：熱敏電阻 – 電壓模式

其中：

T = 溫度，單位°C或°F

b = T為0時的電壓輸出

M = 斜率，單位V/°C 或V/°F

關于線性化熱敏電阻的輸出電阻，見圖19。

公式13：熱敏電阻 – 電阻模式

其中：

T = 溫度，單位°C或°F

b = T為0時的總電阻

M = 斜率，單位Ω/°C 或Ω/°F

圖19：線性化熱敏電阻的輸出電阻。和電壓模式類似，電路中的補償電阻用于使輸出電阻與溫度的關系更加線性化。

雖然大量研究正致力于線性熱敏電阻的研發，但多數現代數據采集系統控制器和軟件都集成了線性化功能，這使得硬件線性化的方法幾乎過時了。

注意事項

穩定性

熱敏電阻天生具備極佳的穩定性，不會因強輻射和元器件老化而導致明顯的阻值變化。然而，長時間工作在90°C以上的高溫環境中，性能則會受到影響，尤其是小于2000Ω的熱敏電阻。另外，熱敏電阻比熱電偶和RTD更小、更易破碎、更需避免誤操作。

時間常數

置于溫度不同的新環境中時，熱敏電阻達到其最終阻值的63%所消耗的時間稱為時間常數。對于無保護措施的熱敏電阻，若應用于液態環境，時間常數通常介于1秒至2.5秒之間，而同樣的元件，工作在氣態環境中，時間常數可達10秒左右，如果還需要隔離保護，則更是長達25秒。元件達到平衡狀態或穩定值的99%所耗費的時間約為時間常數的7倍，因此，液態環境中，熱敏電阻至少需要7秒才能穩定，而氣態環境則需2分鐘以上。

耗散因素

在環境溫度的基礎上，熱敏電阻升溫1°C所消耗的能量被稱為耗散因數，通常是mW級別，另外，其最高工作溫度約為150°C。

公差曲線

熱敏電阻非常適合定點溫度測量，且各種品牌的熱敏電阻都有獨特的特性曲線，常用于開關控制電路中。相比于熱電偶和RTD，制造商們并沒有標準化熱敏電阻特性曲線。

Wheatstone電橋

熱敏電阻配合Wheatstone電橋使用時，即便二者間具有很長的連接導線，也能夠實現高精度溫度測量（見圖20A），導線長度之所以不重要，是因為熱敏電阻的阻值比線電阻大得多。將大量熱敏電阻，分布在實驗室或工廠里，并通過數據采集系統輪流測量溫度時，開關觸點并不會導致明顯的電壓誤差（見圖20B）。

圖20：Wheatstone電橋中的熱敏電阻。將熱敏電阻放在電橋中的，可實現高精度溫度傳感器。導線長度不會導致明顯誤差，所以待測電阻間輪流切換時，仍能保證精度。兩個熱敏電阻組成了一個溫差計，可用于測量管道兩端的溫差或建筑物不同高度的溫差，以維持供暖系統和空調機組的工作平衡。

熱敏電阻測量溫差

在Wheatstone電橋中同時使用兩個熱敏電阻，能夠精確測量兩點的溫差。例如，將熱敏電阻排列在導熱介質上，可用于測量某一方向的溫度梯度；將熱敏電阻分散在立體空間中，可用于監控整個環境的溫度分布。

總結

就像熱電偶的冷端補償方案從冰浴法發展到板載補償一樣，大量技術始終在推動溫度測量朝著更簡易、更廉價、更精準的方向發展。理解溫度傳感器的工作模式和背后的理論是非常重要的，然而，多年來 Measurement Computing公司（MCC）在工程應用和理論研究中投入大量精力，已經開發出一套使溫度測量及其簡易的軟硬件平臺。

MCC供應多種溫度測量產品，其總線接口包括USB、以太網、Wi-Fi，還有獨立的數據記錄儀。除了一流的硬件解決方案，MCC同時提供一系列能夠快速進行測量和硬件開發的軟件平臺，支持Microsoft? Visual Studio?.NET， NI LabVIEW 和 DASYLab?。

在MCC，我們始終堅持設計高質量測試測量設備，并在此基礎上不斷提高性價比，同時提供免費的技術支持。如果您有任何測試測量應用需求，請聯系我們幫助您挑選最合適的設備。