數(shù)據(jù)采集其實(shí)是測試測量里面很小的一個(gè)環(huán)節(jié)，當(dāng)工程師在構(gòu)思測試測量系統(tǒng)的時(shí)候，經(jīng)常會把主要的精力放在傳感器上，因?yàn)楹线m的傳感器可以幫助提高整個(gè)測試系統(tǒng)的精度，可靠性和安全性。而數(shù)據(jù)采集卡作為一個(gè)系統(tǒng)的小部件，可以用來輔助工程師，將傳感器的功效發(fā)揮到最大，成本降到最低。

今天，我們就挑一個(gè)最簡單的測試系統(tǒng)——溫度測試系統(tǒng)，來簡述一下溫度傳感器的選型。這個(gè)小科普中，我會選用一塊MCC的溫度采集卡USB-TEMP作為模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備（ADC）來簡述溫度測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，傳感器選型，采集卡選擇和精度提高方式。要注意的是，以下列出的數(shù)值均為經(jīng)驗(yàn)值和標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)際選型和使用時(shí)需要根據(jù)具體情況具體分析。

溫度傳感器的選型：

常用的溫度傳感器分為熱電偶（Thermocouple），熱敏電阻（Thermistor），熱電阻（RTD），半導(dǎo)體式溫度傳感器（Semiconductor）和溫度變送器。

熱電偶：這種傳感器的原理是通過熱電效應(yīng)（塞貝爾效應(yīng)），用兩種金屬在不同溫度下產(chǎn)生的熱電動勢差來表示溫度變化。其特點(diǎn)就是溫度測試范圍大（-200~2000℃，甚至更寬），精度低（±1℃左右），易受外部環(huán)境影響。對于熱電偶而言，不同類型只是選型時(shí)首先要做的，對于傳感器的尺寸，封裝（是否鎧裝），絕緣性，抗腐蝕性，屏蔽還需要根據(jù)具體情況來進(jìn)行選擇。

這里多提一句，市面上還有一只快速響應(yīng)熱電偶，號稱熱電偶測試的響應(yīng)速度可以達(dá)到1kHz，如果遇到這種測試，請?jiān)谙旅媪粞裕覀儠槍?yīng)用進(jìn)行詳細(xì)解答。

熱敏電阻：這個(gè)傳感器是我們從小接觸，也是最熟悉的一種溫度傳感器。由于溫度變化引起電阻阻值的變化。熱敏電阻的傳感器特點(diǎn)在于其溫度-電阻的線性度，與RTD的寬線性度不同，熱敏電阻的線性區(qū)間非常窄（0~100℃左右），但是在這個(gè)非常窄的線性區(qū)間內(nèi)測試精度非常準(zhǔn)（±0.05℃）。

熱電阻：熱電阻有個(gè)更讓人熟悉的名字鉑電阻，常見的鉑電阻有（Pt100，Pt500，Pt1000，0℃時(shí)傳感器對應(yīng)的電阻值），和熱敏電阻一樣，其原理同樣是溫度隨阻值變化，不同的是RTD在保證了大溫度變化區(qū)間（-200~600℃）的前提下，還能保證非常好的線性度和精度（±0.2℃左右）。一般情況下熱電偶的傳感器尺寸（粗細(xì)）可以做的比RTD小很多，所以這也是為什么很多小空間的溫度測試用熱電偶的原因。

半導(dǎo)體式溫度傳感器：簡單來說就是集成電路溫度，將熱敏感電子元器件做成集成電阻，通常用來測試環(huán)境溫度，精度較高（±0.1℃）。舉一個(gè)常用的例子，熱電偶了冷端補(bǔ)償（CJC）一般通過半導(dǎo)體式溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的測量。

溫度變送器：就是通過以上溫度傳感器，將溫度信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，因?yàn)闇囟茸兯推魍ǔＪ怯性雌骷⑶覂?nèi)部進(jìn)行了信號調(diào)理，通常輸出電壓精度不會很高，容易受到供電系統(tǒng)的干擾，但是方便易用。

采集卡選擇

為了更好地發(fā)揮傳感器的特點(diǎn)（這里我們只討論熱電偶，熱敏電阻和RTD三種傳感器），我們要選擇合適的采集卡采集傳感器的輸出變量。

討論這三種傳感器的原因是，他們使用的信號調(diào)理方式不同：

熱電偶：冷端補(bǔ)償（CJC），熱電偶熱端（測試端）的測試準(zhǔn)確值條件是在冷端（傳感器輸出端）溫度為0℃。但通常情況下，測試環(huán)境均為室溫，所以現(xiàn)在常用的方法是通過高精度測試模塊（一般是IC芯片）測得冷端的環(huán)境溫度，再在上位機(jī)軟件通過計(jì)算進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

熱敏電阻：恒流激勵（MCC USB-TEMP采用10uA），熱敏電阻的標(biāo)準(zhǔn)從2252Ω~30000Ω不等，但阻值都不小，所以這個(gè)恒流激勵也不能太大，避免電阻自身發(fā)熱。

RTD：恒流激勵（MCC USB-TEMP采用210uA），和熱敏電阻不同的是RTD阻值比較小，可以用較大恒流源作為激勵，更大的恒流源也意味著更小的外界干擾。

應(yīng)對不同傳感器，我們要選擇合適的采集卡，從上面的描述可以看到，溫度傳感器均為電敏感器件，溫度的變化使傳感器產(chǎn)生很小的電壓變化，這也就意味著他們非常容易受到外部電信號的干擾，比如供電電網(wǎng)，空間電磁干擾，電網(wǎng)內(nèi)的大功率器件等。采集卡的隔離可以有效避免一部分干擾源，但是實(shí)際操作過程中可能會遇到來自四面八方的干擾，具體現(xiàn)象和解決辦法，請看下一章。

精度提高方式

提高精度，意味著很多，最重要的一項(xiàng)就是避免干擾源，上一章我們說了可以選用帶隔離的數(shù)據(jù)采集卡，阻斷信號接收端的干擾源，這一章我們就來說說通過各種方式消除來自信號被測端和信號傳輸線上的干擾。

方法一：絕緣

傳感器的絕緣是經(jīng)常會被用到的一種抗干擾方式，有的測試需要測試金屬表面溫度，而有時(shí)候會是電機(jī)，電加熱爐這類設(shè)備，被測表面會帶有靜電，通過對傳感器進(jìn)行絕緣處理，我們可以有效消除靜電對傳感器的干擾或者對采集卡的損壞。

還有的測試由于體積要求，不能對傳感器加裝絕緣層，這個(gè)時(shí)候可以考慮使用帶隔離的數(shù)據(jù)采集卡，MCC提供的方案是利用以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集卡（E-TC），切斷傳感器的對地回路，從而避免靜電信號的干擾。

方法二：屏蔽

屏蔽層可以有效阻隔空間中的電磁干擾，但是在屏蔽接地的時(shí)候要注意單邊接地。如果雙邊接地，如果兩個(gè)地之間存在電勢差，會使屏蔽層內(nèi)行程電流回路，反而對信號造成干擾。

方法三：供電端濾波

使用有源器件，比如溫度變送器，或者采集卡有對地回路時(shí)，建議用UPS對這個(gè)系統(tǒng)的供電進(jìn)行濾波和抗電涌處理。如果沒有UPS的條件，使用隔離變壓器和線性電源進(jìn)行直流電源供電，100w成本不超過500人民幣，是一個(gè)簡單有效廉價(jià)的解決方案。

方法四：接線方式

對于電阻型溫度傳感器來說，還可以通過接線方式來提高測試精度，采用三線制或四線制可以有效避免傳感器線租對測試造成的干擾。

責(zé)任編輯：gt