认为您遇到问题了吗？试试校准精密温度传感器

针对现实世界中的物理变量校准传感器是一项复杂的挑战。对于某些传感器，向传感器提供已知的激励并不难，但对于其他传感器，这样做会是一个大问题。

让我们先来看一个简单的——线性可变差分变压器 (LVDT)。根据型号的不同，它可以精确测量范围从最小 1 厘米 (cm) 到大约 25 cm 的线性延伸（位置）。例如，TE Connectivity Measurement Specialties 的 02560389-000 LVDT 提供了两英寸（50.8 厘米）范围的线性位移测量能力，在整个行程范围内的线性度为 0.25%。

图 1：TE Connectivity Measurement Specialties 的型号 02560389-000 LVDT 可在两英寸范围内提供精确的位置读数，线性度为 0.25%。（图片来源：TE Connectivity Measurement Specialties）

要校准相关的模拟前端 (AFE) 电子设备，您可以使用像比率变压器之类仪器提供的精确信号，这种仪器大约在 100 年前就开发出来了，并且至今仍在使用（图 2）。

图 2：这种经典型比率变压器在校准传感器模拟接口电路的性能时可用于模拟 LVDT 输出与位置的关系。（图片来源：Tegam Inc.）

但是，使用比率变压器并不能测试 LVDT 本身。为此，您可以将应变片伸长计、数字机械卡尺或光学卡尺连接到 LVDT，然后在特定的基准位置设置下测量其输出。

但是温度传感器校准呢？同样，创建一个精确模拟温度传感器非线性输出的电信号然后检查其 AFE 相当容易，但是当您在寻求几分之一度的精度时，如何检查温度传感器本身呢？对于诸如电阻温度检测器 (RTD)、热敏电阻、固态设备和热电偶之类大多数标准温度传感器来说，如果只需要约 1⁰C 至 2⁰C 精度那么这些传感都是“开箱即用”的好东西，但是当绝对精度要达到十分之一度时（当然不是与分辨率相同），这就是另外一回事了。

现实情况是，您不能只安装一个基本加热器，使用精度更高的系统测量其温度，然后只是在同一系统中替代评估的传感器。无论您如何操作，破坏这种比较关系的方式太多了。因此，高精度温度传感器的用户可以：

1) 将传感器送到具有必要装置的实验室（例如 Ellab A/S），或从厂家（例如 Fluke Corp）购买测试装置在内部使用，或者

2) 从众多“优质”设备供应商购买按照 NIST 可追溯文档要求完全校准的温度传感器。

如果您需要实现 0.1⁰C 或 0.01⁰C 甚至高于 0.01⁰C 的绝对精度怎么办？也许很难相信，但是可以做到的。美国国家标准技术研究院 (NIST) 的研究人员已经开发出了适用于 -50⁰C (-58⁰F) 至 150⁰C (302⁰F) 范围 (对应于 8 至 14 微米红外波长）的热红外辐射温度计 (TIRT)，可以实现几千分之一摄氏度的温度测量精度。更为出色的是，它不需要像许多其他高性能红外温度传感器一样需要低温冷却。

他们是如何达到这一性能水平的？他们使用了模拟和传感器相关设计中常见的三层次方法：

1) 选择性能最佳、最高的可用组件，包括在需要时对其进行“老化”处理以最大程度地减少长期漂移。

2) 采用一种设计拓扑，该拓扑不仅要最大程度地减少误差，而且可以在可能的情况下自动消除误差，例如在差分或仪表放大器的共享基板上使用具有相同温度系数的匹配电阻。

3) 尽量减少外部的诱发误差源，例如电磁场 (EM) 或环境温度变化。

我第一次介绍这三种策略是在我读到已故传奇模拟设计天才吉姆·威廉姆斯 (Jim Williams) 在 1976 年发表在 EDN上的文章《这个 30 ppm 的精度证明模拟设计还没有结束》时。该精度旨在满足一些非常苛刻的目标：它必须是便携式的、低成本的，在 300.00 的满量程范围（即百万分之 30）中实现 0.01 磅的精度，永远不需要校准或调整，并且绝对精度在 0.02% 以内。尽管这篇文章已经存在了 50 年之久，并且在组件和技术上发生了许多变化，但基本道理仍然有效。

NIST 的人员是如何设计他们称作环境辐射温度计 (ART) 的温度计（图 3）的？该设计在题为《改进红外热辐射温度计和传感器的设计》论文中进行了详细的介绍，该文发表在美国光学学会杂志 《Optics Express》上，同时在 NIST 出版的《用不可见光进行精确温度测量》一文也作了介绍。

图 3：在 NIST 环境辐射温度计中，来自固定温度校准源的红外 (IR) 线通过透镜 (1) 进入温度计外壳，并一路传输到达检测器输出 (6)，然后发送到一个增强信号电平的放大器。（图片来源：NIST）

总结

下次您想知道传感器输出读数的精度时，请一定要明白：误差有多少是由于传感器本身引起的，有多少是由于电子器件引起的？怎样单独检查每一个因素？