IST电阻式温度检测器(RTD)的工作原理及优点

创新传感器技术(IST)公司是世界领先的组件制造商，生产薄膜电阻式温度传感器、电容式湿度传感器和质量流量传感器。IST拥有最先进的制造技术，可提供标准传感器和定制传感器，以满足各种独特的应用需求。此外，公司高素质的员工还可为工业应用提供研发咨询服务。公司生产的传感器广泛应用于汽车、暖通空调、家用电器、控制、以及测试和测量行业。

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陈晶尚

2020-5-13 15:33:25

电阻式温度检测器(RTD)工作原理

RTD（电阻式温度检测器）是一种温度传感器，其工作原理为材料的电阻会随温度变化而改变。RTD电阻与周围温度之间的关系高度可预测，从而实现精确的连续温度测量。

向RTD供应恒定电流，测量经过电阻器后形成的电压降，可计算得出RTD电阻，从而确定温度。

RTD材质

制造RTD时选用不同的材质也会在电阻和温度之间形成不同的关系。制造RTD时使用的温度敏感性材料有铂、镍和铜，其中铂最为常用。RTD的重要特性包括电阻温度系数(TCR)、0℃时额定电阻和公差等级。TCR决定了电阻与温度之间的关系。对于可达到的TCR没有限制，但常用工业标准为铂3850ppm/K。这意味着温度每升高一摄氏度，传感器电阻则增加0.385欧姆。传感器的额定电阻为传感器在0℃时的电阻。虽然额定电阻可以达到几乎任何数值，但最常用的是铂100ohm(pt100)。最后，公差等级决定了传感器的精确度，通常是在0℃额定点进行规定。对传感器的精确度规定有不同的行业标准，包括ASTM和欧洲标准DIN。使用TCR、额定电阻和公差这三项数值，即可确定传感器的功能特性。

RTD配置

除材料不同外，RTD有两种主要配置：绕线式和薄膜式。绕线式结构有内线圈RTD或外绕线RTD。内线圈结构由穿过陶瓷绝缘子中孔洞的电阻线圈组成，而外绕线结构则是由电阻材料绕在陶瓷或玻璃筒上，随后再绝缘。

薄膜RTD结构是一层薄薄的电阻材料通过名为沉积的过程沉积在陶瓷底材上。随后在传感器上蚀刻一个电阻路径，同时采用激光微调使传感器达到适当的额定值。电阻材料被一层薄薄的玻璃保护起来，铅丝被焊接到传感器上的衬垫上，并用玻璃板盖上。

薄膜RTD相对于绕线式结构有一定的优点。主要优点包括成本更低，牢固性和抗震性更佳，体积更小，因此响应时间更短，包装也更方便。过去很长时间内，绕线式传感器的精确度更高。但归功于最新的发展，薄膜技术也能够实现同等水平的精确度。

RTD工作

当少量直流电流供给传感器时，RTD开始进行测量。电流会受到电阻器的阻挡，流经电阻器之后会产生电压降。根据RTD额定电阻的不同，可使用不同的供电电流。为减少传感器自身产生的热量，供电电流应较小。一般使用1mA或更小的电流。

RTD可连接为两线、三线或四线结构。两线配置是最简单也最容易出错的一种。在两线结构中，RTD通过两根电线连接到一个惠斯通电桥电路，以测量输出电压。该电路的缺点是两根连接导线的电阻直接加到RTD电阻上，从而引发故障。

2线配置

图1 2线配置电路图

3线配置

图2 3线配置电路图

四线配置由两根电流导线和两根电势导线组成，以测量经过RTD的电压降。两根电势导线是高电阻，用来抵消测量时电流流过造成的电压降。这种配置也是取消电路中导线电阻和消除不同导线电阻影响的理想配置，后者曾是三线配置可能发生的问题。四线配置常用于要求测量高度精确的应用。

4线配置

图3 4线配置电路图

结合所示接线图，通常会采用一种更为复杂的电路。与RTD一起使用时，有多种不同电路可选择。该电路最为重要的两种特性是电流生成和信号调制。对于直线性来讲，最重要的是电流生成电路要对RTD进行稳定激励。只要向RTD施加稳定的激励电流，电路的信号调制路径就会取消导线电阻，获取信号，通过ADC将信号转化为数字信号，这样信号才可以被控制器读取。

薄膜RTD的优点

要进行接触式温度测量，有热电偶、热敏电阻和RTD(绕线式和薄膜式)多种选择。尽管热电偶可以用于极高温度，热敏电阻成本较低，RTD仍然有很多优点。这些优点包括精确度、精密度、长期稳定性和良好的磁滞特性。除此之外，薄膜式RTD相对于绕线式RTD还有其它优点，包括尺寸小、响应时间短、抗震性好和成本相对较低等优点。新型先进技术还可使薄膜技术在较高温度范围时与绕线式实现同等的精确度。

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