認為遇到問題嗎？試著校準精密溫度感測器

針對真實世界的物理變數校準感測器，會遭遇到的難題涵蓋眾多情況。對有些感測器來說，向感測器提供已知的刺激並不難；但對其他感測器而言，則是重大問題。

先以一個較簡單的元件來說明：線性可變差動變壓器 (LVDT)。此元件可準確測量線性伸長 (位置) 情況，測量範圍從最小的 1 公分 (cm) 到大約 25 公分，視機型而定。舉例而言，TE Connectivity Measurement Specialties 的 02560389-000 LVDT 就可在 2 英吋 (50.8 公分) 的範圍內測量線性位移，在整個行程範圍內具有 0.25% 的線性度。

圖 1：TE Connectivity Measurement Specialties 的 02560389-000 LVDT 機型可在兩英吋範圍內提供準確的位置讀數，線性度為 0.25%。(圖片來源： TE Connectivity Measurement Specialties)

為了校準相關的類比前端 (AFE) 電子元件，您可使用儀器的精密訊號，例如早在百年前就開發且沿用至今的比例變壓器 (圖 2)。

圖 2：此經典的比例變壓器可在校準感測器類比介面電路的效能時，對 LVDT 的輸出與位置之間關係提供刺激。(圖片來源： Tegam Inc.)

但是，使用比例變壓器並不會對 LVDT 本身進行測試。若要進行測試，您可在 LVDT 上附加應變計伸長計、數位機械卡鉗或光學卡鉗，然後在特定的基準位置設定下測量輸出。

如果是溫度感測器的校準呢？同樣地，產生一個能準確刺激溫度感測器非線性輸出的電氣訊號，然後檢查其 AFE 其實相當簡單，但若想要達到小於一度的準確度時，該如何對溫度感測器本身進行檢查呢？大多數標準溫度感測器，如電阻溫度偵測器 (RTD)、熱敏電阻、固態裝置和熱電偶等，都可「開箱即用」並達到大約 1°C 至 2°C 的準確度，但若想要達到十分之一度的絕對準確度 (當然與解析度不同)，就不可相提並論了。

現實情況是，您不能只是架設一個基本加熱器、使用更高準確度的系統測量溫度，然後在相同系統中用評估中的感測器加以取代。有太多方式會破壞比對的結果，而且跟您的做法息息相關。因此，使用高準確度溫度感測器時可採用以下任一方法：

1) 將感測器寄送到實驗室，如 Ellab A/S (有必要的設備)，或向 Fluke Corp 等廠商添購測試設備以供內部使用。

2) 向提供「優良」產品的眾多供應商，購買經過完整校準且提供 NIST 認可文件的溫度感測器。

如果您需要達到 0.1°C 或 0.01°C 的絕對準確度，甚至優於 0.01°C 時則該如何？也許很難相信，但可以做到。美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的研究人員開發出一種熱紅外線輻射溫度計 (TIRT)，量測範圍介於 -50°C (-58 ° F) 至 150°C (302°F) (對應於 8 至 14 微米的紅外線波長)，能以攝氏數千分之一度的精密度進行溫度量測。更妙的是，此元件不需要低溫冷卻，但其他多種高效能的紅外線溫度感測器則需要。

如何達到此效能水準？使用類比和感測器相關設計中常見的三層做法：

1) 選擇最佳、效能最高的元件，包括在必要時對其進行「老化」，以將長期漂移降至最低。

2) 採用的設計拓撲，不僅要將誤差降至最低，可行時也要能自行抵銷，例如在差動放大器或儀表放大器的共用基板上採用具有相同溫度係數的匹配電阻。

3) 盡可能減少感應誤差的外部來源，如電磁場 (EM) 或環境溫度變化。

我首創的這一套三重策略，是因為我敗讀 1976 年出刊的 EDN，其中有篇文章由已故的傳奇類比設計天才 Jim Williams 所寫：《30 ppm 尺規證明類比設計尚未殞落》。這個尺規是為了達到一些相當遠大的目標而設計：必須方便攜帶、低成本、在 300.00 滿量程範圍內解析 0.01 磅 (即 30 ppm)，且永遠不需要校準或調整，具有 0.02% 以內的絕對準確度。儘管文章歷史久遠 (將近 50年！)，且自出刊後，元件及技術已有眾多演進，但基本的道理仍然有效。

NIST 的人員如何打造專屬的溫度計，其稱為環境輻射溫度計 (ART) (圖 3)？該設計的完整細節以論文發表，標題相當低調：《熱紅外線輻射溫度計與感測器的改進》，並刊登在美國光學學會的 Optics Express 期刊，以及 NIST 出版的《用隱形光精確測量溫度》。

圖 3：在 NIST 環境輻射溫度計中，固定溫度校準源的紅外 (IR) 光會穿越鏡頭 (1) 進入溫度計外殼，然後經過偵測器輸出 (6)，再繞到放大器以將訊號位準增強。(圖片來源： NIST)

結論

下次您想知道感測器的讀數準確度時，請務必瞭解：有多少誤差是由感測器本身造成的，又有多少是由電子元件造成？又該如何個別檢查？