電阻溫度檢測器或 RTD 可能是簡單的溫度傳感器類型。這些設(shè)備的工作原理是金屬的電阻隨溫度變化。純金屬通常具有正的電阻溫度系數(shù)，這意味著它們的電阻隨溫度升高而增加。RTD 可在 -200 °C 至 +850 °C 的較大溫度范圍內(nèi)工作，并提供高精度、出色的長期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

在本文中，我們將討論使用 RTD 的權(quán)衡、其中使用的金屬、兩種類型的 RTD，以及 RTD 與熱電偶的比較。 

在深入探討之前，讓我們先看一個示例應(yīng)用程序圖，以更好地了解 RTD 基礎(chǔ)知識。 

RTD 應(yīng)用圖示例

RTD 是一種無源設(shè)備，不會自行產(chǎn)生輸出信號。圖 1 顯示了一個簡化的 RTD 應(yīng)用圖。

圖 1.  RTD 應(yīng)用圖示例。圖片由TI提供

激勵電流 I1 通過傳感器的溫度相關(guān)電阻。這會產(chǎn)生一個與激勵電流和 RTD 電阻成正比的電壓信號。RTD 兩端的電壓然后被放大并傳送到 ADC （模數(shù)轉(zhuǎn)換器）以產(chǎn)生可用于計算 RTD 溫度的數(shù)字輸出代碼。

使用 RTD 傳感器的權(quán)衡——RTD 傳感器的優(yōu)點和缺點

在深入研究之前，請務(wù)必注意 RTD 信號調(diào)理的詳細(xì)信息將在以后的文章中介紹。對于本文，我想強調(diào)使用 RTD 電路時的一些基本權(quán)衡。

首先，請注意，激勵電流通常限制在 1 mA 左右，以限度地減少自熱效應(yīng)。當(dāng)激勵電流流過 RTD 時，它會產(chǎn)生 I 2 R 或焦耳熱。自熱效應(yīng)可以將傳感器溫度升高到高于實際測量的周圍環(huán)境溫度的值。減小勵磁電流可以降低自熱效應(yīng)。還值得一提的是，自熱效應(yīng)取決于 RTD 浸入的介質(zhì)。例如，放置在靜止空氣中的 RTD 的自熱效應(yīng)可能比浸入流動水中的 RTD 更明顯。

對于給定的可檢測溫度變化，RTD 電壓的變化應(yīng)該足夠大以克服系統(tǒng)噪聲以及不同系統(tǒng)參數(shù)的偏移和漂移。由于自熱效應(yīng)限制了激勵電流，我們需要使用電阻足夠大的RTD，因此會為下游信號處理塊產(chǎn)生較大的電壓。雖然需要較大的 RTD 電阻以減少測量誤差，但我們不能任意增加電阻，因為較大的 RTD 電阻會導(dǎo)致響應(yīng)時間變慢。

RTD 金屬：鉑 RTD、金 RTD 和銅 RTD 之間的區(qū)別

理論上，任何種類的金屬都可用于構(gòu)建 RTD。1860 年CW Siemens 發(fā)明的個 RTD使用了一根銅線。然而，西門子很快發(fā)現(xiàn)鉑 RTD在更寬的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果。

如今，鉑 RTD 是精密測溫中使用廣泛的溫度傳感器。鉑金具有線性電阻-溫度關(guān)系，并且在大溫度范圍內(nèi)具有高可重復(fù)性。此外，鉑不會與空氣中的大多數(shù)污染物氣體發(fā)生反應(yīng)。

除了鉑之外，另外兩種常見的 RTD 材料是鎳和銅。表 1 提供了一些常見 RTD 金屬的溫度系數(shù)和相對電導(dǎo)率。

表 1. 常見 RTD 金屬的溫度系數(shù)和相對電導(dǎo)率。數(shù)據(jù)由BAPI提供

在上一節(jié)中，我們討論了較大的 RTD 電阻可以減少測量誤差。與鉑和鎳相比，銅具有更高的導(dǎo)電性（或等效地，具有更低的電阻）。對于給定的傳感器尺寸和激勵電流，銅質(zhì) RTD 可以產(chǎn)生相對較小的電壓。因此，銅質(zhì) RTD 測量微小的溫度變化可能更具挑戰(zhàn)性。此外，銅在較高溫度下會氧化，因此測量范圍也僅限于 -200 至 +260 °C。盡管存在這些限制，但由于其線性度和低成本，銅仍在某些應(yīng)用中使用。如下圖 2 所示，在三種常見的 RTD 金屬中，銅具有線性的電阻-溫度特性。

圖 2. 鎳、銅和鉑 RTD 的電阻與溫度特性。圖片由TE Connectivity提供

金和銀的電阻也相對較低，很少用作 RTD 元件。鎳的電導(dǎo)率接近鉑。從圖 2 中可以看出，對于給定的溫度變化，鎳提供的電阻變化。

然而，與鉑相比，鎳提供了更低的溫度范圍、更大的非線性度和更大的長期漂移。此外，鎳的電阻因批次而異。由于這些限制，鎳主要用于消費品等低成本應(yīng)用。

常見的鉑 RTD 有 Pt100 和 Pt1000。這些名稱描述了傳感器結(jié)構(gòu)中使用的金屬類型（鉑或 Pt）以及 0 °C 時的標(biāo)稱電阻，對于 Pt100 和 Pt1000 類型分別為 100 Ω 和 1000 Ω。Pt100型過去比較流行；然而，今天的趨勢是使用更高電阻的 RTD，因為更高的電阻可以提供更高的靈敏度和分辨率，而成本很少或沒有額外成本。由銅和鎳制成的 RTD 也使用類似的命名約定。表 2 列出了一些常見類型。

表 2.  RTD 類型、材料和溫度范圍。數(shù)據(jù)由Analog Devices提供

除了使用的金屬類型外，RTD 的機械結(jié)構(gòu)也會影響傳感器性能。RTD 可分為兩種基本類型：薄膜型和繞線型。這兩種類型將在以下各節(jié)中討論。

薄膜與線繞 RTD

為了進一步討論 RTD，讓我們探討兩種類型：薄膜和繞線。 

薄膜 RTD 基礎(chǔ)知識

薄膜型的結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。  

圖 3. 薄膜 RTD 示例，其中 (a) 顯示結(jié)構(gòu)，(b) 顯示不同的總體類型。圖片（修改后）由Evosensors提供

在薄膜 RTD 中，鉑薄層沉積在陶瓷基板上。隨后是非常高溫的退火和穩(wěn)定化，以及覆蓋整個元件的薄保護玻璃層。圖 3(a) 中所示的修整區(qū)域用于將制造的電阻調(diào)整到指定的目標(biāo)值。

薄膜 RTD 依賴于相對較新的技術(shù)，能夠顯著減少組裝時間和生產(chǎn)成本。與我們將在下一節(jié)中深入探討的繞線型相比，薄膜 RTD 更能抵抗沖擊或振動造成的損壞。此外，薄膜 RTD 可以在相對較小的面積內(nèi)容納較大的電阻。例如，一個 1.6 mm ? 2.6 mm 的傳感器提供了足夠的面積來產(chǎn)生 1000 Ω 的電阻。由于體積小，薄膜 RTD 可以快速響應(yīng)溫度變化。這些設(shè)備適合許多通用應(yīng)用。這種類型的缺點是長期穩(wěn)定性相對較差，溫度范圍較窄。

線繞 RTD

下面的圖 4 顯示了基本繞線 RTD 的結(jié)構(gòu)。

圖 4. 基本繞線 RTD 的結(jié)構(gòu)概覽。圖片由PR Electronics提供

這種類型的 RTD 是通過將一段鉑金纏繞在陶瓷或玻璃芯上而制成的。出于保護目的，整個元件通常封裝在陶瓷或玻璃管內(nèi)。帶有陶瓷芯的 RTD 適用于測量非常高的溫度。繞線 RTD 通常比薄膜類型更準(zhǔn)確。然而，它們更昂貴并且更容易被振動損壞。

為了限度地減少鉑絲上的任何應(yīng)變，傳感器結(jié)構(gòu)中使用的材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與鉑相匹配。相同的熱膨脹系數(shù)可限度地減少 RTD 元件的長期應(yīng)力引起的電阻變化，從而提高傳感器的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。

RTD 與熱電偶屬性

為了結(jié)束關(guān)于 RTD 溫度傳感器的對話，下面是 RTD 和熱電偶傳感器之間的簡短比較。

熱電偶產(chǎn)生的電壓與其兩個結(jié)之間的溫差成正比。熱電偶是自供電的，不需要外部激勵，而基于 RTD 的溫度測量則需要激勵電流或電壓。熱電偶輸出指定冷端和熱端之間的溫差，因此在熱電偶應(yīng)用中需要冷端補償。另一方面，RTD 應(yīng)用不需要冷端補償，從而使測量系統(tǒng)更加簡單。

熱電偶通常用于 -184 °C 至 2300 °C 范圍，而 RTD 可以測量 -200 °C 至 +850 °C 范圍。盡管 RTD 通常比熱電偶更準(zhǔn)確，但它們的價格大約是熱電偶的兩到三倍。另一個區(qū)別是 RTD 比熱電偶更線性，并且表現(xiàn)出出色的長期穩(wěn)定性。對于熱電偶，傳感器材料中的化學(xué)變化會降低長期穩(wěn)定性并導(dǎo)致傳感器讀數(shù)漂移。