測量溫度傳感器的溫度特性：常見溫度傳感器及優缺點

原標題：常見溫度傳感器及優缺點

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/ 前言 /

無論是哪種類型的傳感器，所有溫度傳感器都要考慮以下四大因素：

對所測量的介質沒有影響

不管測量什么，最重要的是要確保測量設備自身不會影響所測量的介質。進行接觸溫度測量時，這一點尤為重要。選擇正確的傳感器尺寸和導線配置是重要的設計考慮因素，以減少"桿效應"及其他測量錯誤。

非常精確

將對測量介質的影響降至最低之后，如何準確地測量介質就變得至關重要。準確性涉及傳感器的基本特性、測量準確性等。如果未能解決有關"桿效應"的設計問題，再準確的傳感器也無濟于事。

響應即時（在多數情況下）

響應時間受傳感器元件質量的影響，還會受到導線的一些影響。通常傳感器越小，響應速度越快。

輸出易于調節

使用微處理器后可以更輕松地調節非線性輸出，因此傳感器輸出的信號調節也更不成問題。

/ 傳感器的特性分析 /

上述每種主要類型的傳感器的基本操作理論都有所不同，有各自的特性：

溫度范圍

每種傳感器的溫度范圍也有所不同。熱電偶系列的溫度范圍最廣，跨越多個熱電偶類型。

精度

精度取決于基本的傳感器特性。所有傳感器類型的精度各不相同，不過鉑元件和熱敏電阻的精度最高。一般而言，精度越高，價格就越高。

長期穩定性

由傳感器隨時間的推移保持其精度的一致程度來決定。穩定性由傳感器的基本物理屬性決定。高溫通常會降低穩定性。鉑和玻璃封裝的繞線式熱敏電阻是最穩定的傳感器。熱電偶和半導體的穩定性則最差。

輸出變化

傳感器輸出依照類型而有所變化。熱敏電阻的電阻變化與溫度成反比，因此具有負溫度系數(NTC)。鉑等基金屬具有正溫度系數(PTC)。熱電偶的千伏輸出較低，并且會隨著溫度的變化而變化。半導體通常可以調節，附帶各種數字信號輸出。

線性度

線性度定義了傳感器的輸出在一定的溫度范圍內一致變化的情況。熱敏電阻呈指數級非線性，低溫下的靈敏度遠遠高于高溫下的靈敏度。隨著微處理器在傳感器信號調節電路中的應用越來越廣泛，傳感器的線性度愈發不成問題。

電壓或電流

通電后，熱敏電阻和鉑元件都需要恒定的電壓或電流。功率調節對于控制熱敏電阻或鉑RTD中的自動加熱至關重要。電流調節對于半導體而言不太重要。熱電偶會產生電壓輸出。

響應時間

即傳感器指示溫度的速度，取決于傳感器元件的尺寸和質量（假定不使用預測方法）。半導體的響應速度最慢，繞線式鉑元件的響應速度是第二慢的。鉑薄膜、熱敏電阻和熱電偶提供小包裝，因此帶有高速選件。玻璃微珠是響應速度最快的熱敏電阻配置。

錯誤偏差

會導致溫度指示有誤的電噪聲是使用熱電偶時的一個主要問題。在某些情況下，電阻極高的熱敏電阻可能是個問題。

導線電阻可能會導致熱敏電阻或RTD等電阻式設備內出現錯誤偏差。使用低電阻設備（例如100Ω鉑元件）或低電阻熱敏電阻時，這種影響會更加明顯。對于鉑元件，使用三線或四線導線配置來消除此問題。對于熱敏電阻，通常會通過提高電阻值來消除此影響。熱電偶必須使用相同材料的延長線和連接器作為導線，否則可能會引發錯誤。

性價比

盡管熱電偶是最廉價、應用最廣泛的傳感器，但NTC熱敏電阻的性價比卻往往是最高的。

/ 傳感器的優勢和劣勢對比 /

熱電偶傳感器

熱電偶傳感器是一種自發電式傳感器，測量時不需要外加電源，直接將被測量轉換成電勢輸出，使用十分方便。它的測溫范圍很廣：-270℃～2500℃，并具有結構簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優點。

熱電偶傳感器的缺點是靈敏度比較低，容易受到環境的信號干擾，也容易受到前置放大器溫漂的影響，不適合測量微小的溫度變化。

熱電偶傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程。

（赫斯曼接線型一體化溫度傳感器）

對一般的工業應用來說，為了保護感溫元件避免受到腐蝕和磨損，總是裝在厚厚的護套里面，外觀顯得笨大，對于溫度的反應也遲緩得多。使用熱電偶的時候，必須消除環境溫度對測量帶來的影響。有的把它的自由端放在不變的溫度場中，有的使用冷端補償抵消這種影響。當測量點遠離儀表時，還需要使用補償導線。

因此選擇熱電偶時需考慮下列因素：1、被測溫度范圍；2、所 需響應時間；3、連接點類型；4、熱電偶或護套材料的抗化學腐蝕能力；5、抗磨損或抗振動能力；6、安裝及限制要求等。

熱敏電阻

熱敏電阻（即“溫度敏感型電阻器”）是一種高精度經濟型溫度測量傳感器。按照溫度系數分為NTC（負溫度系數）和PTC（正溫度系數）兩種類型，NTC熱敏電阻通常用于溫度測量。

主要優勢是：靈敏度：熱敏電阻能隨非常微小的溫度變化而變化。精度：熱敏電阻能提供很高的絕對精度和誤差。成本：對于熱敏電阻的高性能，它的性價比很高。堅固性：熱敏電阻的構造使得它非常堅固耐用。靈活性：熱敏電阻可配置為多種物理形式，包括極小的包裝。密封：玻璃封裝為其提供了密封的包裝，從而避免因受潮而導致傳感器出現故障。表面安裝：提供各種尺寸和電阻容差。

（赫斯曼顯示型一體化溫度傳感器）

熱敏電阻的劣勢中，通常只有自動加熱是一個設計考慮因素。必須采取適當措施將感應電流限制在一個足夠低的值，以便使自動加熱錯誤降低到一個可接受的值。如果將熱敏電阻暴露在高熱中，將會導致永久性的損壞。

非線性問題可通過軟件或電路來解決，會引發故障的潮濕問題可通過玻璃封裝來解決。

電阻溫度檢測器（RTD）

RTD通常用鉑金、銅或鎳，它們的溫度系數較大，隨溫度變化響應快，能夠抵抗熱疲勞，而且易于加工制造成為精密的線圈，尤其用鉑金等金屬制成時，RTD非常穩定，不受腐蝕或氧化的影響。RTD的測溫原理是：純金屬或某些合金的電阻隨溫度的升高而增大，隨溫度降低而減小。電阻-溫度變化關系最好是線性的，溫度系數（溫度系數的定義是單位溫度引起的電阻變化）越大越好，而且要能夠抵抗熱疲勞，隨溫度變化響應靈敏。目前只有少數幾種金屬能夠滿足這樣的要求。

（LLWD一體化溫度傳感器）

RTD還相對防止電氣噪聲，因此非常適合在工業環境中的溫度測量，特別是在電動機、發電機及其它高壓設備的周圍使用。 RTD是目前最精確和最穩定的溫度傳感器。它的線性度優于熱電偶和熱敏電阻。但RTD也是響應速度較慢而且價格比較貴的溫度傳感器。因此，RTD最適合對精度有嚴格要求，而速度和價格不太關鍵的應用領域。

IC溫度傳感器

包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。

模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控測，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。

（LL-WS62插入式溫濕度傳感器）

數字溫度傳感器是微電子技術、計算機技術和自動測試技術（ATE）的結晶。目前有多種智能溫度傳感器系列產品，智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）;并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現測試功能的，其智能化和諧也取決于軟件的開發水平。

（SBWZPK-230B防爆型溫度傳感器）

IC溫度傳感器有許多好處，包括：功耗低；可提供小型封裝產品（有些尺寸小到0.8mm×0.8mm）；還可在某些應用中實現低器件成本。此外，由于IC傳感器在生產測試過程中都經過校準，因此沒有必要進一步校準。

缺點就是溫度范圍非常有限， 也存在同樣的自熱、不堅固和需要外電源的問題。總之，溫度IC提供產生正比于溫度的易讀讀數方法，雖然便宜，但也受到配置和速度限制。數字輸出IC溫度傳感器的響應速度慢，而模擬輸出IC溫度傳感器的線性度很高。

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責任編輯：

測量溫度傳感器的溫度特性：溫度傳感器的七種特性詳解

描述
　　溫度傳感器是智能建筑、冷庫管理和機械預測性維護中遠程監測和效率的支柱。溫度傳感器收集有關環境的數據，并通過分析優化業務流程。
　　選擇合適的無線溫度傳感器是部署溫度傳感的關鍵。大多數傳感器都是無線的，即通過無線網絡傳輸讀數的無線傳感器。無線傳感器支持遠程和智能傳感功能，它們的特性決定了它們滿足各種行業應用需求的能力。
　　溫度傳感器的特性包括：
　　1、尺寸
　　2、自主
　　3、功耗效率
　　4、精度和高分辨率
　　5、可配置性
　　6、可擴展性
　　7、數據速率
　　1、溫度傳感器尺寸
　　傳感器的尺寸決定了其在各種應用中的適用性。原則上，微型傳感器應用更普遍，更容易在物理環境中部署。
　　但是，在某些情況下，小尺寸傳感器會受到諸如精度和分辨率不足等限制。因此，根據目標應用的需要，平衡傳感器的小尺寸和其他特性是很重要的。
　　2、溫度傳感器自主
　　與需要頻繁更換能源（如電池）的傳感器相比，可以長時間自主工作的傳感器通常更受歡迎。這是因為自主傳感器節省了配置工作，并將維護成本降至很低。
　　然而，隨著傳感器變得越來越小、越來越復雜，開發具有高度自主性的傳感器是一項非常具有挑戰性的任務。較小的傳感器通常不能為高容量電池提供空間，而傳感設備功能的日益復雜則要求更多能量。
　　3、溫度傳感器功耗效率
　　溫度傳感器的功耗效率是其最基本的特性之一。它與自主性直接相關，因為高能效傳感器可以在不更換電池的情況下工作時間更長。
　　與此同時，由于節電型傳感器減少了碳足跡，因此還提高了包含大量傳感器應用的環境性能。
　　4、溫度傳感器的精度和分辨率
　　獲得精確、高保真測量值的能力是成功部署傳感器的基礎。許多應用需要高分辨率傳感器。
　　然而，也存在是否需要相對溫度測量的情況。在這些情況下，傳感器絕對測量的精度就不那么重要了。
　　5、溫度傳感器可配置性
　　可配置性是傳感器最理想的特性之一。最終用戶要求以最小的努力靈活地部署、配置和管理傳感設備。在傳感器部署在人類工人不易接近的惡劣環境中時，這一點尤為重要。
　　6、溫度傳感器可擴展性
　　大多數工業應用需要許多傳感器節點，因此，傳感器部署的可擴展性是另一個重要因素，但也應考慮與范圍的權衡。
　　可擴展部署提供了增加部署傳感器數量的方法，而不會對整體性能和部署成本產生任何實質性影響。
　　7、溫度傳感器數據速率
　　近年來，無線傳感器網絡廣泛應用了機器學習（ML）和人工智能（AI）等數據挖掘技術。后者處理大量數據，即大數據數據集。與提供較低數據速率的傳感器相比，可以提供多個數據點的無線傳感器更受歡迎。
　　取暖、通風、辦公桌占用、水泵、電機、冰箱和冰柜都可以通過溫度傳感器進行監測和優化，以提高效率，例如，及時檢測冷鏈中的溫度異常會減少浪費的產品數量。同樣，對資產溫度值的分析可以實現預測性維護，從而減少停機時間并延長設備使用壽命，從而提高成本效益和可持續性。
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測量溫度傳感器的溫度特性：溫度傳感器的溫度特性測量實驗

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溫度傳感器的溫度特性測量實驗

【目的要求】

測量
PN
結溫度傳感器的溫度特性；測試
PN
結的正向電流與正向電壓的關系（指數變化規律）并計算
出玻爾茲曼常數。
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【實驗儀器】
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FD-ST-TM
溫度傳感器溫度特性實驗模塊
（需配合
FD-ST
系列傳感器測試技術實驗儀）含加熱系統、
恒
流源、直流電橋、
Pt100
鉑電阻溫度傳感器、
NTC1K
熱敏電阻溫度傳感器、
PN
結溫度傳感器、電流型集成
溫度傳感器
AD590
、電壓型集成溫度傳感器
LM35
、實驗插接線等）
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【實驗原理】
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“溫度”是一個重要的熱學物理量，它不僅和我們的生活環境密切相關，在科研及生產過程中，溫度
的變化對實驗及生產的結果至關重要，所以溫度傳感器應用廣泛。溫度傳感器是利用一些金屬、半導體等
材料與溫度相關的特性制成的。常用的溫度傳感器的類型、測溫范圍和特點見下表。
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PN
結溫度傳感器
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測試
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結的
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與溫度變化的關系，求出靈敏度、斜率及相關系數
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結溫度傳感器是利用半導體
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結的結電壓對溫度依賴性，實現對溫度檢測的，實驗證明在一定的
電流通過情況下，
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結的正向電壓與溫度之間有良好的線性關系。通常將硅三極管
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極短路，用
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測量溫度傳感器的溫度特性：溫度傳感器的溫度特性測量實驗報告.docx

溫度傳感器的溫度特性測量實驗報告
　　沈陽城市學院　　物理實驗室制　　請認真填寫　　實驗九溫度傳感器的溫度特性測量和研究　　【目的要求】　　1、學習用恒電流法和直流電橋法測量熱電阻；2、測量鉑電阻和熱敏電阻溫度傳感器的溫度特性；3、測量電壓型、電流型和PN結溫度傳感器的溫度特性；　　【實驗儀器】　　FD-TTT-A溫度傳感器溫度特性實驗儀一臺十進制電阻箱一個　　FD-TTT-A溫度傳感器溫度特性實驗儀面板圖　　【實驗原理】　　“溫度”是一個重要的熱學物理量，它不僅和我們的生活環境密切相關，在科研及生產過程中，溫度的變化對實驗及生產的結果至關重要，所以溫度傳感器應用廣泛。溫度傳感器是利用一些金屬、半導體等材料與溫度相關的特性制成的。常用的溫度傳感器的類型、測溫范圍和特點見表1。本實驗將通過測量幾種常用的溫度傳感器的特征物理量隨溫度的變化，來了解這些溫度傳感器的工作原理．　　表1常用的溫度傳感器的類型和特點　　一、直流電橋法測量熱電阻　　直流平衡電橋的電路如圖1所示，　　圖1　　把四個電阻R1,R2,R3,Rt連成一個四邊形回路ABCD,每條邊稱作電橋的一個“橋臂”在四邊形的一組對角接點A、C之間連入直流電源E，在另一組對角接點B、D之間連入平衡指示儀表，B、D兩點的對角線形成一條“橋路”，它的作用是將橋路兩個端點電位進行比較，當B、D兩點電位相等時，橋路中無電流通過，指示器示值為零，電橋達到平衡。指示器指零，有UAB=UAD,UBC=UDC,電橋平衡，電流Ig=0,流過電阻R1、R3的電流相等，即I1=I3,同理I2=IRt,因此　　R1R2　　?R3Rt　　?Rt?　　R1R2　　R3　　若R1?R2，則有：Rt?R3　　　　二、恒電流法測量熱電阻　　恒電流法測量熱電阻，電路如圖2所示，　　圖2　　電源采用恒流源，R1為已知數值的固定電阻，Rt為熱電阻。UR1為R1上的電壓，URt　　為Rt上的電壓，UR1用于監測電路的電流，當電路電流恒定時則只要測出熱電阻兩端電壓URt，即可知道被測熱電阻的阻值。當電路電流為Io,溫度為t時，熱電阻Rt為　　Rt?　　URtIO　　?R1URtUR1　　三、Pt100鉑電阻溫度傳感器　　Pt100鉑電阻是一種利用鉑金屬導體電阻隨溫度變化的特性制成的溫度傳感器。鉑的物理、化學性能極穩定，抗氧化能力強，復制性好，易工業化生產，電阻率較高。因此鉑電阻大多用于工業檢測中的精密測溫和溫度標準。缺點是高質量的鉑電阻價格十分昂貴，溫度系數偏小，受磁場影響較大。按IEC標準，鉑電阻的測溫范圍為-200——650℃。百度電阻比W=時Ro為100Ω或10Ω時。稱為Pt100鉑電阻或Pt10鉑電阻。其允許的不確定度A級為：±。B級為：±。鉑電阻的阻值與溫度之間的關系,當溫度t在-200～0℃之間時，其關系式為：　　23　　?Rt?R01?At?Bt?C(t?100?C)t?　　當溫度在0～650℃之間時關系式為：　　Rt?R0(1?At?Bt)　　2　　、式中Rt、R0分別為鉑電阻在溫度t、0℃時的電阻值，A,B,C為溫度系數，對于常用的工業鉑電阻：　　A10　　?3　　?7　　2　　?12　　3　　/?C,B?10/?C,C?10/?C　　在0～100℃范圍內Rt的表達式可近似線性為：　　Rt?R0(1?A1t)　　式中A1溫度系數，近似為×10ˉ3/℃，Pt100鉑電阻的阻值，其0℃時Rt=100Ω;而100℃時Rt=Ω。　　四、熱敏電阻(NTC1K)溫度傳感器　　熱敏電阻是利用半導體電阻阻值隨溫度變化的特性來測量溫度的(來自:寫論文網:溫度傳感器的溫度特性測量實驗報告)，按電阻阻值隨溫度升高而減小或增大，分為NTC型(負溫度系數)、PTC型(正溫度系數)和CTC。熱敏電阻電阻率大，溫度系數大，但其非線性大，置換性差，穩定性差，通常只適用于一般要　　求不高的溫度測量。以上三種熱敏電阻特性曲線見圖3。　　溫度/℃　　圖3　　在一定的溫度范圍內熱敏電阻的電阻Rt與溫度T之間有如下關系：　　B(　　1T?　　1T0　　)　　RT?R0e　　式中Rt、R0是溫度為T(K),T0(K)時的電阻值(K為熱力學溫度單位開)；B是熱敏電阻材料常數，一般情況下B為XX～6000K。　　對一定的熱敏電阻而言，B為常數，對上式兩邊取對數，則有：　　lnRT?B(　　1T?1T0　　)?lnR0　　由式可見，lnRT與1/T成線性關系，作lnRT—(1/T)曲線，用直線擬合，由斜率可求出常數B。　　五、電壓型集成溫度傳感器　　LM35溫度傳感器，標準T0-92工業封裝，其準確度一般