19、温度传感器：PTC热敏电阻与热电偶的全面解析

温度传感器：PTC热敏电阻与热电偶的全面解析

1. PTC热敏电阻概述

PTC（正温度系数）热敏电阻是一类重要的温度传感器，其阻值随温度升高而增大。与许多采用对数刻度绘制性能曲线的热敏电阻不同，部分PTC热敏电阻的相关图表采用线性垂直刻度，对数刻度往往会使响应曲线看起来更平坦。

1.1 硅基传感器

有一种基于“扩展电阻原理”设计的硅芯片传感器。在该原理中，电流从金属触点通过一层薄硅层扩散到金属化底面。随着温度升高，这种扩散效应会变弱。虽然结果部分取决于极性，但通过在相反方向设置第二个金属触点，并将芯片的两个有源区域串联，可得到无极性的元件。
- 优点 ：这种传感器的输出几乎呈线性，便于与内置模数转换器的微控制器配合使用。
- 参数特性 ：
- 容差范围为±1% - 5%，具体取决于温度。
- 典型参考电阻为1K或2K。
- 温度系数通常约为1%，远低于典型NTC（负温度系数）热敏电阻的4%。
- 工作电流 ：典型的硅热敏电阻正常工作所需电流约为0.1mA - 1mA。
- 应用场景 ：在汽车领域有一定应用，可用于测量油温、变速器温度和气候控制等参数。
- 电阻测定方法 ：可使用串联电阻与PTC传感器构成分压器来确定其电阻，该电路与NTC热敏电阻所用电路相同。

1.2 RTD（电阻温度检测器）

RTD有时被归类为PTC热敏电阻，但它具有不同类型的纯金属传感元件，灵敏度低得多。

1.3 非线性PTC热敏电阻

1.3.1 过温保护

这种非线性热敏电阻由外部加热，具有开关功能。若将其集成在电路板的其他元件中，其输出可用于激活警告信号，或触发继电器关闭电路，直至温度降低。这在电池充电器中尤为重要，因为过热常是一个问题，在一般电子设备中也很有用。
- 电流控制 ：为避免自热，通过热敏电阻的电流必须最小化至几毫安。
- 温度触发特性 ：Vishay PTCSL系列中的一些热敏电阻在低至70摄氏度时会发生转变，而另一些则在100摄氏度以上被触发。例如，典型的响应曲线显示，在25摄氏度时电阻为100欧姆，在90摄氏度的过渡参考温度下约为1K，在105摄氏度时至少达到4K。
- 电路推荐 ：制造商建议使用惠斯通电桥电路，其输出连接到比较器，比较器可激活信号或继电器。
- 耐压能力 ：这种热敏电阻最大可承受30V（交流或直流）。

1.3.2 过流保护

此类非线性热敏电阻可替代保险丝，它对通过自身电流产生的内部热量做出响应。若电流过大，热敏电阻的电阻增加，从而限制电流。当过流问题解决后，热敏电阻恢复到正常状态，无需像保险丝那样进行更换。
- 过流原因 ：过流可能是由于其他元件（如整流二极管或电容器）故障，或直流电机锁定等情况引起的。
- 耐压与电流响应特性 ：TDK的B598系列可承受超过240V的交流或直流电压。它们通常在电流超过100mA - 1A时做出响应（部分元件超出此范围），许多可承受1A - 7A。例如，图中所示的B59810C0130A070在980mA时切换，可承受高达7A的电流，参考电阻为3.5欧姆，当过大电流产生足够热量时，电阻会升至10K以上。
- 应用限制 ：由于其参考电阻会产生一定热量，这种元件通常限于触发电流低于1A的应用。

1.3.3 PTC浪涌电流限制

当设备通电时，会有电流涌入，快速对平滑电容器充电，这可能会使电源过载并缩短其使用寿命。传统上使用NTC热敏电阻作为浪涌限制器，但会浪费一些功率。而PTC热敏电阻不仅可以限制浪涌电流，还能提供额外保护。
- NTC热敏电阻的问题 ：以120VAC电源、功率消耗为1000W的设备为例，电流约为8A，一个在运行时电阻为0.2欧姆的NTC热敏电阻会引入约1.6V的电压降，消耗约13W功率。在电流更高的应用中，功率损失会更大。
- PTC热敏电阻的优势 ：TDK的B5910系列PTC热敏电阻专为浪涌电流限制而设计。例如，B59105J0130A020的参考电阻为22欧姆，当温度超过120摄氏度时，电阻会迅速升至10K以上，能够承受220V电源的完全短路。
- 解决方案 ：可在热敏电阻周围添加定时旁路继电器，在短时间后自动关闭，消除功率损失，这称为有源浪涌电流限制。

1.3.4 PTC热敏电阻用于启动电流

在某些应用中，初始电流涌入是必要且理想的。例如，空调压缩机在从静止状态启动时需要高电流“扭矩辅助”。Vishay PTC305C系列就是这样的重型元件，开关时间约为半秒，最大电压额定值为410VAC或更高，电流额定值为6 - 36A。但电机运行时PTC热敏电阻温度较高，关机后重启前需等待3 - 5分钟冷却。

1.3.5 PTC热敏电阻用于照明镇流器

荧光灯启动时，电流需先通过阴极加热器。热敏电阻通过旁路电容器实现这一点，不到一秒内电阻升高以阻断电流，此时加热器完成任务，灯由高频交流电供电。

1.3.6 PTC热敏电阻作为加热元件

对于小型应用，可使用PTC热敏电阻的内部电阻产生热量作为加热元件。它具有自限性，因为电阻随温度升高而增大。例如，TDK 5906系列适用于汽车柴油燃料预热和喷雾喷嘴除霜，在住宅领域可用于空气清新剂蒸发器。其初始电阻低至3 - 4欧姆，在70 - 200摄氏度的过渡温度范围内电阻会迅速升高。

1.4 PTC热敏电阻可能出现的问题

1.4.1 自热

自热可能影响温度传感器的准确性。为获得准确读数，应保持电流较小。当热敏电阻的电阻处于其范围高端时，可使用短暂的电流脉冲。

1.4.2 加热其他元件

在热敏电阻自热有实用目的的情况下，如用于浪涌保护器和延迟时，产生的热量可能会损坏附近的元件或材料。

2. 热电偶概述

2.1 工作原理

热电偶通过使用一对由不同金属制成的导线来测量温度。在每根导线的一端，它们通常通过焊接连接在一起。由于导线的热电特性不同，在其自由端会产生非常小的电压，由此可推导出连接端的温度。
- 无需电源 ：热电偶无需电源，但产生的电压极小（不仅以毫伏计，甚至以微伏计）且非常非线性，需要硬件和/或软件将其转换为温度值，实验室设备或集成电路芯片可用于此目的。
- 类型多样 ：不同类型的热电偶可测量不同的温度范围，每种类型都有其自身特点，需要进行适当的转换。

2.2 外观与符号

• 外观 ：“原始”的热电偶看起来并不起眼，仅由两根一端焊接在一起的导线组成。商业产品中的热电偶通常封装在探头中。
• 符号 ：常用的热电偶示意图符号中，正负号不表示应向导线施加电源，正号表示该导线产生的电压高于负号导线。

2.3 热电偶与其他温度传感器的比较

温度传感器主要分为五类，热电偶具有较宽的测量范围，一些类型能够测量高达1800摄氏度的温度，但响应非常非线性，微小电压易受电气噪声干扰，精度通常不优于±0.5摄氏度，在低温下可能更低。

2.4 应用场景

热电偶在实验室和一些工业应用中很常见，如监测高炉或内燃机内部的温度，也可测量低至 - 200摄氏度的温度，但在 - 100摄氏度以下，温度系数减小，电压增量每摄氏度小于30µV。

2.5 工作原理详解

热电偶的工作基于塞贝克效应，即当导线两端保持不同温度时，沿导线的温度梯度会产生小的电动势，表现为导线两端的电位差。电位大小取决于导线两端的温度差和导线类型。
- 原理模型 ：
- 两根不同金属导线A和B，左端加热到相同温度TX，右端保持较低温度TY，由于金属不同，每根导线的电压降不同。
- 将导线的热端焊接在一起，确保它们具有相同温度和电压VX。
- 将冷端夹在等温块中，保持相同温度TY，电压表可测量两端电压差VM。
- 数学关系 ：
- 设KA和KB分别为导线A和B根据温度梯度确定电压差的常数或函数，TDIF为TX和TY的温度差，则有KA * (TDIF) = VX - VA，KB * (TDIF) = VX - VB。
- 两式相减并整理可得TDIF = VM / (KA - KB)，已知TY，可计算出TX = TY + TDIF。

2.6 热电偶细节

• 冷端温度测量 ：最初热电偶的冷端置于冰水浴中以保持0摄氏度，现在可使用精确校准的热敏电阻测量冷端温度。虽然热敏电阻可测量温度，但因其测量范围有限，很少用于高于150摄氏度的温度测量，所以热电偶仍有其不可替代的作用。
• 术语澄清 ：“热端”和“冷端”的说法易产生误导，现代文献通常使用“测量结”和“参考结”，且参考结处导线并不实际连接。
• 电压产生误解 ：常见误解认为电压在测量结处产生，实际上电压是每根导线中测量结和参考结之间温度梯度的函数，导线的连接方式（焊接、钎焊、压接等）只要保证电气连接即可。

2.7 使用方法

在实验室中使用热电偶时，每根导线通常绝缘，末端为插头，插入仪表中。参考结隐藏在仪表内部，仪表需设置适合特定类型热电偶的参数，以确保转换因子正确。由于导线金属类型必须从测量结到参考结保持一致，因此只能使用相同金属的导线进行延伸，连接器的引脚和插座也必须与导线金属类型匹配。

综上所述，PTC热敏电阻和热电偶在不同场景下各有优势。PTC热敏电阻在过温保护、过流保护、浪涌电流限制等方面表现出色，而热电偶则凭借其宽温度测量范围在工业和实验室环境中广泛应用。在实际应用中，需根据具体需求合理选择温度传感器。

3. 温度传感器选择建议

3.1 选择考虑因素

在选择温度传感器时，需要综合考虑多个因素，以下是一些关键因素的对比表格：
| 考虑因素 | PTC热敏电阻 | 热电偶 |
| — | — | — |
| 温度范围 | 一般适用于较窄范围，不同类型有所差异 | 范围宽，可从 -200℃到1800℃ |
| 线性度 | 部分类型输出接近线性 | 响应非常非线性 |
| 灵敏度 | 温度系数一般约为1% | 产生电压极小，易受噪声干扰 |
| 精度 | 容差范围±1% - 5% | 通常不优于±0.5℃，低温时可能更低 |
| 成本 | 部分价格稍高 | 相对成本因类型而异 |
| 自热影响 | 可能存在自热问题 | 无自热现象 |

3.2 不同应用场景的选择

• 汽车应用 ：PTC热敏电阻中的硅基传感器可用于测量油温、变速器温度和气候控制等；热电偶也可用于监测发动机内部等高温区域的温度。
• 实验室应用 ：热电偶因其宽温度范围和快速响应，常用于测量高温实验或低温实验中的温度；PTC热敏电阻在一些对精度要求不是极高且温度范围适中的实验中也可使用。
• 电子设备保护 ：PTC热敏电阻的过温保护和过流保护类型可用于保护电池充电器、电子设备等免受过热和过流损坏；热电偶一般不用于此类保护场景。
• 照明应用 ：PTC热敏电阻可用于荧光灯镇流器，控制启动电流；热电偶不用于照明相关应用。

3.3 选择流程

以下是选择温度传感器的mermaid流程图：

graph LR
    A[确定应用场景] --> B{温度范围要求}
    B -- 宽范围 --> C[考虑热电偶]
    B -- 窄范围 --> D{对线性度要求}
    D -- 高线性度 --> E[考虑PTC热敏电阻（线性输出类型）]
    D -- 低线性度要求 --> F{对灵敏度要求}
    F -- 高灵敏度 --> G[进一步评估PTC热敏电阻和热电偶特性]
    F -- 低灵敏度 --> H{成本考虑}
    H -- 低预算 --> I[根据其他因素选择]
    H -- 高预算 --> J[综合性能选择]
    C --> K[考虑精度、抗干扰等因素]
    E --> L[考虑容差、自热等因素]
    G --> M[对比两者优缺点]
    I --> N[做出选择]
    J --> N
    K --> N
    L --> N
    M --> N

4. 温度传感器的安装与维护

4.1 PTC热敏电阻安装与维护

4.1.1 安装步骤

1. 确定安装位置 ：根据应用需求，选择合适的安装位置，如靠近需要监测温度的部件。
2. 连接电路 ：按照电路设计，将PTC热敏电阻正确连接到电路中，注意极性（部分无极性）。
3. 固定元件 ：使用合适的方法固定PTC热敏电阻，确保其稳定。

4.1.2 维护要点

• 定期检查 ：检查PTC热敏电阻的连接是否松动，有无损坏迹象。
• 避免自热影响 ：确保通过的电流在合适范围内，避免自热对测量结果的影响。
• 防止过热 ：在过温保护应用中，确保其能正常触发保护机制。

4.2 热电偶安装与维护

4.2.1 安装步骤

1. 选择合适探头 ：根据测量环境和温度范围，选择合适的热电偶探头。
2. 连接导线 ：将热电偶导线正确连接到测量仪表，注意导线金属类型的匹配。
3. 安装探头 ：将探头放置在需要测量温度的位置，确保良好的接触。

4.2.2 维护要点

• 检查导线完整性 ：定期检查导线是否有破损、断裂等情况。
• 校准仪表 ：定期对测量仪表进行校准，确保测量精度。
• 防止干扰 ：避免热电偶导线靠近强电磁场等干扰源。

5. 未来发展趋势

5.1 PTC热敏电阻发展趋势

• 更高精度 ：不断提高温度测量的精度，减小容差范围。
• 更低功耗 ：降低自热影响，减少功耗。
• 多功能集成 ：与其他功能元件集成，实现更多功能。

5.2 热电偶发展趋势

• 提高灵敏度 ：改进材料和工艺，提高热电偶的灵敏度和抗干扰能力。
• 微型化 ：开发更小尺寸的热电偶，适用于更多微小空间的测量。
• 智能化 ：与智能芯片结合，实现自动校准和数据处理。

6. 总结

PTC热敏电阻和热电偶作为重要的温度传感器，各自具有独特的特点和优势。PTC热敏电阻在多种保护功能和特定温度范围应用中表现出色，而热电偶则以其宽温度范围和快速响应在工业和实验室等领域占据重要地位。在实际应用中，我们需要根据具体的温度范围、精度要求、成本等因素，综合考虑选择合适的温度传感器。同时，正确的安装和维护对于保证传感器的性能和使用寿命至关重要。随着技术的不断发展，温度传感器也将朝着更高精度、更低功耗、智能化等方向发展，为各个领域的温度测量和控制提供更优质的解决方案。

希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地了解PTC热敏电阻和热电偶，并在实际应用中做出合理的选择。