RTD基础知识——电阻温度检测器简介

了解RTD的基础知识，即使用RTD温度传感器的利弊，这些传感器中使用的金属，薄膜RTD和线绕RTD。

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电阻温度检测器RTD可能是最简单的温度传感器类型之一。这些设备的工作原理是金属的电阻随温度而变化。纯金属通常具有正电阻温度系数，这意味着它们的电阻随着温度的升高而增加。RTD可以在-200°C至+850°C的大温度范围内工作，并且具有高精度、优异的长期稳定性和可重复性。

在本文中，我们将介绍使用RTD的利弊、其中使用的金属、两种类型的RTD以及RTD与热电偶的比较。

在深入之前，让我们先来看一个示例应用程序图，以便更好地理解RTD基础知识。

RTD应用示例图

RTD是一种无源器件，本身不产生输出信号。图1显示了一个简化的RTD应用图。

RTD应用示例图。

励磁电流I1通过传感器的温度相关电阻。这会产生一个与励磁电流和RTD电阻成比例的电压信号。然后，RTD两端的电压被放大并传送到ADC（模数转换器），以产生可用于计算RTD温度的数字输出代码。

使用RTD传感器的权衡——RTD传感器的优缺点

在深入探讨之前，值得注意的是，RTD信号调节的细节将在以后的文章中加以阐述。至于这篇文章，我想强调一些使用RTD电路时需要权衡的基本问题。

首先，请注意，励磁电流通常限制在1mA以下，以尽量减少自热效应。当励磁电流流过RTD时，会产生I2R或焦耳热。自热效应可以将传感器温度提高到高于其周围环境的温度，而周围环境实际上是正在被测量的。降低励磁电流可以减少自热效应。值得一提的是，自热效应取决于RTD浸入的介质。例如，放置在静止空气中的RTD的自热效应比浸入流动水中的RTD的自热效应更明显。

对于给定的最小可检测温度变化，RTD电压的变化应足够大，以克服系统噪声以及不同系统参数的偏移和漂移。由于自热效应限制了励磁电流，我们需要使用具有足够大电阻的RTD，因此为下游信号处理块产生相对较大的电压。虽然需要更大的RTD电阻来减少测量误差，但我们不能任意增加电阻，因为大的RTD电阻会导致响应时间变慢。

RTD金属：铂RTD、金RTD和铜RTD之间的差异

理论上，任何一种金属都可以用来构建RTD。1860年，西门子发明了有史以来第一个RTD，它使用了一根铜线。然而，西门子很快发现铂电阻温度检测器在更宽的温度范围内产生了更准确的结果。

如今，铂电阻温度检测器是精密测温中使用最广泛的温度传感器。铂具有线性电阻-温度关系，在较大的温度范围内具有高重复性。此外，铂不会与空气中的大多数污染物气体发生反应。

除了铂，另外两种常见的RTD材料是镍和铜。表1提供了一些常见RTD金属的温度系数和相对电导率。

在上一节中，我们讨论了较大的RTD电阻可以减少测量误差。与铂和镍相比，铜具有更高的导电性（或等效地，更低的电阻）。对于给定的传感器尺寸和激励电流，铜RTD可以产生相对较小的电压。因此，铜RTD测量微小的温度变化更具挑战性。此外，铜在较高温度下氧化，也仅限于-200至+260°C的测量范围。尽管存在这些局限性，铜仍然被用于某些应用中，因为它具有线性和低成本。如下图2所示，在三种常见的RTD金属中，铜具有最线性的电阻-温度特性。

镍、铜和铂电阻式温度检测器的电阻与温度特性。

金和银的电阻也相对较低，很少用作RTD元件。镍的导电性接近铂。如图2所示，镍在给定温度变化下电阻变化最大。

然而，与铂相比，镍的温度范围更低，非线性更大，长期漂移也更大。此外，镍的电阻在批次之间变化很大。由于这些局限性，镍主要用于消费品等低成本应用。

常见的铂电阻温度检测器是Pt100和Pt1000。这些名称描述了传感器结构中使用的金属类型（铂或Pt）和0°C下的标称电阻，对于Pt100和Pt1000类型，分别为100Ω和1000Ω。Pt100型曾经更受欢迎；然而，如今，趋势是朝着更高电阻的RTD发展，因为更高的电阻可以在很少或没有额外成本的情况下提供更高的灵敏度和分辨率。由铜和镍制成的RTD也使用类似的命名约定。表2列出了一些常见的类型。

除了使用的金属类型外，RTD的机械结构也会影响传感器的性能。RTD可分为两种基本类型：薄膜型和线绕型。以下章节将讨论这两种类型。

薄膜电阻式温度检测器与线绕电阻式温度检测器

为了进一步讨论RTD，我们来探讨两种类型：薄膜和线绕。

薄膜电阻式温度检测器（RTD）基础

薄膜型结构如图3（a）所示。

示例薄膜RTD，其中（a）显示了结构，而（b）显示了不同的总体类型。

的示例，其中（a）显示了结构，而（b）显示了不同的总体类型。图片（修改后）由Evosensors提供

在薄膜RTD中，在陶瓷基板上沉积了薄薄的一层铂。随后进行高温退火和稳定处理，并覆盖一层薄的保护玻璃层以覆盖整个元件。图3（a）所示的修整区域用于将制造电阻调整到指定的目标值。

薄膜RTD依赖于相对较新的技术，能够大幅减少装配时间和生产成本。与线绕型相比，薄膜RTD更耐冲击或振动损坏，我们将在下一节深入探讨线绕型。此外，薄膜RTD可以在相对较小的面积内容纳更大的电阻。例如，1.6mm✕2.6mm的传感器提供了足够的面积来产生1000Ω的电阻。由于其尺寸小，薄膜RTD可以快速响应温度变化。这些设备适合许多通用应用。这种类型的缺点是长期稳定性相对较差，温度范围较窄。

绕线式RTD

下图4显示了基本绕线RTD的结构。

基本绕线式RTD的概述结构。

这种类型的RTD是通过在陶瓷或玻璃芯上缠绕一段铂而制成的。整个元件通常封装在陶瓷或玻璃管内，以起到保护作用。陶瓷芯的RTD适用于测量非常高的温度。线绕式RTD通常比薄膜式更精确。然而，它们更昂贵，更有可能因振动而损坏。

为了尽量减少铂丝的应变，传感器结构中使用的材料的热膨胀系数应与铂的热膨胀系数相匹配。相同的热膨胀系数最大限度地减少了长期应力引起的RTD元件电阻变化，从而提高了传感器的可重复性和稳定性。

RTD与热电偶属性

要结束关于RTD温度传感器的对话，以下是RTD和热电偶传感器之间的简短比较。

热电偶产生的电压与其两个结之间的温差成正比。虽然热电偶是自供电的，不需要外部激励，但基于RTD的温度测量需要激励电流或电压。热电偶输出指定冷端和热端之间的温差，因此，热电偶应用中需要冷端补偿。另一方面，RTD应用中不需要冷端补偿，这导致测量系统更简单。