溫度傳感器是一種將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量電信號(hào)(如電壓、電流、電阻或數(shù)字信號(hào))的裝置,廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、
消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
1. 溫度傳感器的分類
溫度傳感器可按測(cè)量方式和工作原理進(jìn)行分類:
1.1 按測(cè)量方式分類
接觸式溫度傳感器
傳感器直接接觸被測(cè)物體,通過(guò)熱傳導(dǎo)測(cè)量溫度。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高,適用于液體和固體溫度測(cè)量,但響應(yīng)速度較慢,
受環(huán)境影響。典型應(yīng)用包括熱電偶、RTD(熱電阻)和熱敏電阻。
非接觸式溫度傳感器
通過(guò)檢測(cè)物體發(fā)射的紅外輻射來(lái)測(cè)量溫度,無(wú)需物理接觸。優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快,不干擾被測(cè)物體,但測(cè)量精度受物體
發(fā)射率影響。典型應(yīng)用包括紅外測(cè)溫儀和熱成像儀。
1.2 按工作原理分類
(1) 熱電偶(Thermocouple)
熱電偶基于塞貝克效應(yīng)(Seebeck Effect),即兩種不同金屬在連接處因溫度差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(EMF)。
特點(diǎn)
- 測(cè)量范圍廣(-200°C ~ 2300°C),適用于極端溫度環(huán)境。
- 響應(yīng)速度快(毫秒級(jí)),耐高溫,抗振動(dòng)。
- 但精度較低(±1°C ~ ±5°C),需冷端補(bǔ)償。
常見(jiàn)類型
- K型熱電偶(鎳鉻-鎳硅):最常用,適用于-200°C~1260°C。
- J型熱電偶(鐵-銅鎳):適用于還原性環(huán)境,0°C~760°C。
- T型熱電偶(銅-銅鎳):適用于低溫測(cè)量,-200°C~350°C。
- S/R型熱電偶(鉑銠-鉑):用于高溫測(cè)量(0°C~1600°C),高精度但成本高。
(2) 熱電阻(RTD, Resistance Temperature Detector)
RTD利用金屬(如鉑、銅、鎳)的電阻隨溫度變化的特性進(jìn)行測(cè)量。
特點(diǎn)
- 精度高(±0.1°C ~ ±0.5°C),穩(wěn)定性好,適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
- 測(cè)量范圍較廣(-200°C ~ 850°C)。
- 但響應(yīng)較慢(秒級(jí)),價(jià)格較高,需恒流源驅(qū)動(dòng)。
常見(jiàn)類型
- PT100(鉑電阻,0°C時(shí)100Ω):工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),線性度好。
- PT1000(鉑電阻,0°C時(shí)1000Ω):靈敏度更高,適合長(zhǎng)距離傳輸。
- Cu50(銅電阻,0°C時(shí)50Ω):成本較低,但溫度范圍較窄。
(3) 熱敏電阻(Thermistor)
熱敏電阻是一種半導(dǎo)體器件,其電阻隨溫度顯著變化,分為NTC(負(fù)溫度系數(shù))和PTC(正溫度系數(shù))。
NTC熱敏電阻
電阻隨溫度升高而降低,靈敏度高(±0.05°C)。
- 但非線性強(qiáng),需查表或Steinhart-Hart方程轉(zhuǎn)換。
典型應(yīng)用:
- 電子體溫計(jì)、鋰電池溫度監(jiān)測(cè)。
PTC熱敏電阻
電阻在特定溫度急劇上升,常用于過(guò)溫保護(hù)。
典型應(yīng)用:
電機(jī)過(guò)熱保護(hù)、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。
(4) 數(shù)字溫度傳感器
數(shù)字溫度傳感器集成ADC和數(shù)字接口(如I2C、SPI、1-Wire),直接輸出數(shù)字信號(hào),無(wú)需額外信號(hào)調(diào)理電路。
特點(diǎn)
- 抗干擾能力強(qiáng),適合嵌入式系統(tǒng)。
- 無(wú)需校準(zhǔn),使用方便。
典型型號(hào)
- DS18B20(1-Wire接口,-55°C~125°C,±0.5°C)。
(5) 紅外溫度傳感器(IR Thermometer)
紅外傳感器通過(guò)檢測(cè)物體發(fā)射的紅外輻射(波長(zhǎng)3~14μm)來(lái)測(cè)量溫度。
特點(diǎn)
- 非接觸測(cè)量,響應(yīng)極快(毫秒級(jí))。
- 但測(cè)量精度受物體表面發(fā)射率影響(如金屬需補(bǔ)償)。
典型應(yīng)用
- 人體測(cè)溫槍(如MLX90614)。
- 工業(yè)設(shè)備熱成像(如FLIR熱像儀)。
溫度傳感器關(guān)鍵性能參數(shù)
- 測(cè)量范圍:傳感器能正常工作的溫度區(qū)間,如熱電偶可達(dá)2300°C,而NTC通常限于-50°C~150°C。
- 精度:測(cè)量誤差范圍,如RTD可達(dá)±0.1°C,熱電偶一般為±1°C~±5°C。
- 分辨率:最小可檢測(cè)溫度變化,高精度傳感器可達(dá)0.01°C。
- 響應(yīng)時(shí)間:溫度變化到輸出穩(wěn)定的時(shí)間,熱電偶可達(dá)毫秒級(jí),RTD通常為秒級(jí)。
- 線性度:輸出與溫度的關(guān)系是否線性,RTD線性較好,NTC非線性較強(qiáng)。
- 長(zhǎng)期穩(wěn)定性:傳感器隨時(shí)間漂移的程度,鉑電阻<0.1°C/年。
溫度傳感器選型指南
1. 溫度范圍:高溫選熱電偶,低溫選RTD或NTC。
2. 精度需求:高精度選RTD,低成本選NTC。
3. 響應(yīng)速度:快速測(cè)量選熱電偶或紅外傳感器。
4. 環(huán)境因素:腐蝕性環(huán)境選鎧裝熱電偶,潮濕環(huán)境選防水封裝。
5. 輸出信號(hào):嵌入式系統(tǒng)優(yōu)先選數(shù)字傳感器(I2C/SPI)。