20、常见温度传感器的类型、特性及应用

最新推荐文章于 2025-08-23 17:13:25 发布

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分类专栏：探索传感器世界：从基础到应用文章标签：温度传感器热电偶 RTD

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常见温度传感器的类型、特性及应用

1. 热电偶类型及特性

1.1 热电偶类型

热电偶由ANSI标准代码识别，代码为单个字母。以下是常见热电偶类型及其特性：
| 类型 | 温度范围（℃） | 正负极材料 | 特点及应用 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| K型 | -250 至 +1350 | 正极：镍 - 铬合金；负极：镍 - 铝合金 | 最常用，常用于3D打印机 |
| J型 | -200 至 +1200 | 正极：铁；负极：铜 - 镍合金 | 铁线有磁性且易腐蚀，不推荐用于低温测量 |
| T型 | -250 至 +400 | 正极：铜；负极：铜 - 镍合金 | 适用于低温应用 |
| E型 | -250 至 +1000 | 正极：镍 - 铬合金；负极：铜 - 镍合金 | 最灵敏，温度系数最高 |
| N型 | -250 至 +1300 | 正极：镍 - 铬 - 硅合金；负极：镍 - 硅 - 镁合金 | K型的替代方案，高温下更稳定 |
| R型 | -50 至 +1750 | 正极：铂 - 铑合金；负极：铂 | 用于高温应用，温度系数低 |
| S型 | -50 至 +1750 | 正极：铂 - 铑合金；负极：铂 | 用于高温应用，温度系数低 |

1.2 塞贝克系数

热电偶的数据表会列出塞贝克系数，它是由塞贝克效应引起的温度系数，单位为微伏/摄氏度。即温度每升高1摄氏度，热电偶产生的额外微伏数。不同类型的热电偶系数不同，且由于热电偶响应非线性，系数会随温度变化。

1.3 热电偶的使用及问题

使用：R和S型响应较一致，但精度不高；K型在0 - 1200℃表现较好；J型在0 - 800℃表现尚可；T和E型一致性较差。为减少低电压读数时的电气噪声，热电偶线常绞合或屏蔽，解码电压的电子设备应包含滤波器以拒绝50Hz或60Hz干扰。
输出转换芯片 ：如Analog Devices的AD8494和AD8496匹配J型热电偶，AD8495和AD8497匹配K型热电偶；Maxim Integrated Products的MAX31855K可将热电偶输出线性化并数字化。
可能出现的问题 ：
- 极性问题 ：热电偶输出有极性，不注意会导致误差。
- 电气干扰 ：热电偶线易受干扰，应绞合或屏蔽。
- 金属疲劳和氧化 ：部分热电偶线较脆，一些金属或合金易氧化。
- 使用错误类型 ：不同类型热电偶特性不同，解码电子设备需匹配热电偶类型。
- 自制热电偶的热损伤 ：自制时应使用最小热量避免合金性能下降。

1.4 热电堆

热电堆是多个热电偶串联的组件。其工作原理是利用温度差产生电压差，电压差会累积。热电堆通常内置在其他设备中，可用于产生小电流或作为安全装置。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(热端):::process --> B(热电偶1):::process
    B --> C(热电偶2):::process
    C --> D(热电偶3):::process
    D --> E(冷端):::process
    F(温度差):::process --> G(电压差累积):::process
    G --> H(输出电压):::process

2. 电阻温度探测器（RTD）

2.1 RTD概述

RTD即电阻温度探测器，其传感元件为纯金属丝或薄膜，与PTC热敏电阻不同。它具有正温度系数，即温度升高电阻增大。

2.2 RTD特性

优点：
- 精度高，公差小，互换性好。
- 稳定性好，年漂移小。
- 输出与温度近似线性，便于与微控制器配合使用。
- 抗电气噪声。
- 对温度变化响应较快（约1 - 10秒）。
缺点：
- 温度系数约为NTC热敏电阻的十分之一。
- 测量电阻需通过电流，可能导致自热。
- 成本较高，尤其是绕线式。

2.3 RTD的工作原理及应用

工作原理 ：利用金属薄膜、金属丝或碳膜在温度升高时电阻的分数增加。传感元件常用铂，具有线性响应。
应用：因其高精度，可用于校准其他温度传感器，测量热敏电阻参考结温度，但需敏感电子设备进行信号调理。

2.4 RTD的变体及接线

变体：如Vishay的TFPTL系列，含镍薄膜传感元件；Heraeus Sensor Technology的L420系列，含铂薄膜传感元件。
接线：2线配置时，引线电阻会影响测量；3线设计可实现温度补偿。

2.5 RTD可能出现的问题

自热：电流应限制在1mA，尤其是低温测量时。
绝缘受温度影响 ：高温下绝缘电阻变化会导致测量误差。
传感元件不兼容 ：信号调理需与传感元件匹配。

3. 半导体温度传感器

3.1 半导体温度传感器概述

它也被称为带隙温度传感器、二极管温度传感器等，是一种集成电路芯片，包含由晶体管结组成的传感元件。

3.2 特性及应用

特性：
- 优点：易于使用，无需或只需少量外部组件和信号处理；工厂校准，响应近似线性；数字输出版本便于添加到有I2C总线的系统中。
- 缺点：温度范围有限，与热敏电阻类似；存在自热问题，尤其是信号处理功能集成在同一芯片的版本。
应用：表面贴装时可测量电路板温度，用于电源过热保护；可移植到其他传感器中进行温度补偿；也用于汽车、加热和空调系统以及厨房设备等。

3.3 示意图符号

没有专门的示意图符号，可由包含引脚功能缩写的矩形表示；输出为随温度变化的电流时，可表示为电流源。

4. 不同温度传感器的对比

4.1 性能对比

传感器类型	温度范围（℃）	精度	线性度	响应速度	抗干扰能力	成本
热电偶	较宽，如 -250 至 +1750	因类型而异，部分类型精度一般	非线性，部分类型较好	较快	一般，需屏蔽处理	相对较低
RTD	-250 至 +1000（部分）	高，可达 ±0.01℃	近似线性	约 1 - 10 秒	强	较高，尤其是绕线式
半导体温度传感器	-50 至 +150	一般	近似线性	较快	一般	高于热敏电阻

4.2 应用场景对比

传感器类型	应用场景
热电偶	高温测量、工业过程控制、3D 打印等
RTD	高精度测量、校准其他传感器、实验室环境等
半导体温度传感器	电路板温度监测、汽车系统、消费电子等

4.3 选择建议

在选择温度传感器时，可参考以下流程：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(确定温度范围):::process --> B{精度要求高?}:::process
    B -- 是 --> C(RTD):::process
    B -- 否 --> D{温度范围宽且需高温测量?}:::process
    D -- 是 --> E(热电偶):::process
    D -- 否 --> F{应用于电路板或消费电子?}:::process
    F -- 是 --> G(半导体温度传感器):::process
    F -- 否 --> H(根据其他因素选择):::process

5. 温度传感器的信号处理与校准

5.1 信号处理

不同类型的温度传感器信号处理方式不同：
- 热电偶 ：需要芯片进行放大和信号调理，如 Analog Devices 的 AD8494、AD8495 等芯片，可将输出转换为近似线性的信号。
- RTD ：可使用如 National Semiconductor 的 LM75 芯片，将电阻转换为电压值，并通过模数转换器转换为数字值。
- 半导体温度传感器 ：部分自带放大、信号处理和模数转换功能，可直接与微控制器连接。

5.2 校准

温度传感器的校准非常重要，可确保测量的准确性。校准步骤如下：
1. 准备标准温度源，如高精度恒温槽。
2. 将传感器放入标准温度源中，记录不同温度下的输出值。
3. 根据记录的数据，计算传感器的误差。
4. 通过调整信号处理电路或软件算法，对传感器进行校准。

5.3 校准注意事项

校准环境应稳定，避免温度波动和外界干扰。
校准设备应具有足够的精度和稳定性。
定期对传感器进行校准，以保证长期测量的准确性。

6. 温度传感器的安装与维护

6.1 安装要点

热电偶 ：
- 确保热电偶的极性正确连接。
- 热电偶线应绞合或屏蔽，以减少电气干扰。
- 参考结应与芯片温度一致，安装时应尽量靠近芯片，并避免其他热源影响。
RTD ：
- 采用 3 线或 4 线接线方式，以补偿引线电阻的影响。
- 避免过大电流通过，防止自热效应。
- 安装时应保证传感器与被测物体充分接触，以提高测量准确性。
半导体温度传感器 ：
- 按照引脚定义正确连接，避免短路。
- 对于表面贴装型，应确保焊接良好，避免虚焊。