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MCC 温度测试系统小科普

时间：2017-09-18 08:34来源：21Dianyuan

摘要：数据采集其实是测试测量里面很小的一个环节，当工程师在构思测试测量系统的时候，经常会把主要的精力放在传感器上，因为合适的传感器可以帮助提高整个测试系统的精度，可靠性和安全性。而数据采集卡作为一个系统的小部件，可以用来辅助工程师，将传感器的功效发挥到最大，成本降到最低。

数据采集其实是测试测量里面很小的一个环节，当工程师在构思测试测量系统的时候，经常会把主要的精力放在传感器上，因为合适的传感器可以帮助提高整个测试系统的精度，可靠性和安全性。而数据采集卡作为一个系统的小部件，可以用来辅助工程师，将传感器的功效发挥到最大，成本降到最低。
 
今天，我们就挑一个最简单的测试系统——温度测试系统，来简述一下温度传感器的选型。这个小科普中，我会选用一块 MCC 的温度采集卡 USB-TEMP 作为模数转换设备（ADC）来简述温度测试系统的结构，传感器选型，采集卡选择和精度提高方式。要注意的是，以下列出的数值均为经验值和标准值，实际选型和使用时需要根据具体情况具体分析。
    
温度传感器的选型：
 
常用的温度传感器分为热电偶（Thermocouple），热敏电阻（Thermistor），热电阻（RTD），半导体式温度传感器（Semiconductor）和温度变送器。
 
热电偶：这种传感器的原理是通过热电效应（塞贝尔效应），用两种金属在不同温度下产生的热电动势差来表示温度变化。其特点就是温度测试范围大（-200~2000℃，甚至更宽），精度低（±1℃左右），易受外部环境影响。对于热电偶而言，不同类型只是选型时首先要做的，对于传感器的尺寸，封装（是否铠装），绝缘性，抗腐蚀性，屏蔽还需要根据具体情况来进行选择。
 
这里多提一句，市面上还有一只快速响应热电偶，号称热电偶测试的响应速度可以达到1kHz，如果遇到这种测试，请在下面留言，我们会针对应用进行详细解答。
 

 
热敏电阻：这个传感器是我们从小接触，也是最熟悉的一种温度传感器。由于温度变化引起电阻阻值的变化。热敏电阻的传感器特点在于其温度-电阻的线性度，与 RTD 的宽线性度不同，热敏电阻的线性区间非常窄（0~100℃左右），但是在这个非常窄的线性区间内测试精度非常准（±0.05℃）。
 
热电阻：热电阻有个更让人熟悉的名字铂电阻，常见的铂电阻有（Pt100，Pt500，Pt1000，0℃时传感器对应的电阻值），和热敏电阻一样，其原理同样是温度随阻值变化，不同的是 RTD 在保证了大温度变化区间（-200~600℃）的前提下，还能保证非常好的线性度和精度（±0.2℃左右）。一般情况下热电偶的传感器尺寸（粗细）可以做的比 RTD 小很多，所以这也是为什么很多小空间的温度测试用热电偶的原因。
 
半导体式温度传感器：简单来说就是集成电路温度，将热敏感电子元器件做成集成电阻，通常用来测试环境温度，精度较高（±0.1℃）。举一个常用的例子，热电偶了冷端补偿（CJC）一般通过半导体式温度传感器来实现环境温度的测量。
 
温度变送器：就是通过以上温度传感器，将温度信号转化为标准电压信号，因为温度变送器通常是有源器件，并且内部进行了信号调理，通常输出电压精度不会很高，容易受到供电系统的干扰，但是方便易用。
 
 
采集卡选择
 
为了更好地发挥传感器的特点（这里我们只讨论热电偶，热敏电阻和 RTD 三种传感器），我们要选择合适的采集卡采集传感器的输出变量。
 
讨论这三种传感器的原因是，他们使用的信号调理方式不同：
 
热电偶：冷端补偿（CJC），热电偶热端（测试端）的测试准确值条件是在冷端（传感器输出端）温度为0℃。但通常情况下，测试环境均为室温，所以现在常用的方法是通过高精度测试模块（一般是 IC 芯片）测得冷端的环境温度，再在上位机软件通过计算进行温度补偿。
 
热敏电阻：恒流激励（MCC USB-TEMP 采用 10uA），热敏电阻的标准从 2252Ω~30000Ω 不等，但阻值都不小，所以这个恒流激励也不能太大，避免电阻自身发热。
 
RTD：恒流激励（MCC USB-TEMP 采用 210uA），和热敏电阻不同的是 RTD 阻值比较小，可以用较大恒流源作为激励，更大的恒流源也意味着更小的外界干扰。
 
应对不同传感器，我们要选择合适的采集卡，从上面的描述可以看到，温度传感器均为电敏感器件，温度的变化使传感器产生很小的电压变化，这也就意味着他们非常容易受到外部电信号的干扰，比如供电电网，空间电磁干扰，电网内的大功率器件等。采集卡的隔离可以有效避免一部分干扰源，但是实际操作过程中可能会遇到来自四面八方的干扰，具体现象和解决办法，请看下一章。
 
精度提高方式
 
提高精度，意味着很多，最重要的一项就是避免干扰源，上一章我们说了可以选用带隔离的数据采集卡，阻断信号接收端的干扰源，这一章我们就来说说通过各种方式消除来自信号被测端和信号传输线上的干扰。
 
方法一：绝缘
 
传感器的绝缘是经常会被用到的一种抗干扰方式，有的测试需要测试金属表面温度，而有时候会是电机，电加热炉这类设备，被测表面会带有静电，通过对传感器进行绝缘处理，我们可以有效消除静电对传感器的干扰或者对采集卡的损坏。
 
还有的测试由于体积要求，不能对传感器加装绝缘层，这个时候可以考虑使用带隔离的数据采集卡，MCC 提供的方案是利用以太网的数据采集卡（E-TC），切断传感器的对地回路，从而避免静电信号的干扰。
 
方法二：屏蔽
屏蔽层可以有效阻隔空间中的电磁干扰，但是在屏蔽接地的时候要注意单边接地。如果双边接地，如果两个地之间存在电势差，会使屏蔽层内行程电流回路，反而对信号造成干扰。
 
方法三：供电端滤波
 
使用有源器件，比如温度变送器，或者采集卡有对地回路时，建议用 UPS 对这个系统的供电进行滤波和抗电涌处理。如果没有 UPS 的条件，使用隔离变压器和线性电源进行直流电源供电，100w 成本不超过500人民币，是一个简单有效廉价的解决方案。
 
方法四：接线方式
 
对于电阻型温度传感器来说，还可以通过接线方式来提高测试精度，采用三线制或四线制可以有效避免传感器线租对测试造成的干扰。
 
上述几点基本涵盖了搭建温度测试系统时所要面临的大多数问题，但是实际工作中我们会碰到各式各样的问题，MCC 的工程师们也在日常的工作中不停积累，也欢迎各位工程师给我们提出宝贵的意见，分享各类案例。如果有更多的问题或者建议，可拨打021-50509800-2663进行反馈。
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