【嵌入式】全面解析温度传感器：PT1000、热电偶、热敏电阻与红外传感器的原理与应用

LuckiBit

发布于 2024-12-11 12:14:17

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在不同应用场景中，温度传感器扮演着至关重要的角色。常见的温度传感器类型包括 PT1000、热电偶、热敏电阻和红外传感器，它们各自的原理和应用场合不同，选择合适的传感器有助于更准确地监测和控制温度。本文将详细讲解这几种传感器的工作原理，并通过公式分析说明它们的使用方法。

1. PT1000 温度传感器

1.1 工作原理

PT1000 是一种基于铂电阻的温度传感器，0°C 时的电阻值为 1000 欧姆。温度与电阻之间的关系符合以下公式：

当 (

t \geq 0

) 时：

R_t = R_0 \times (1 + A \cdot t + B \cdot t^2)

当 (

t < 0

) 时：

R_t = R_0 \times (1 + A \cdot t + B \cdot t^2 + C \cdot (t - 100) \cdot t^3)

其中：

(

R_t

) 是温度 ( t ) 下的电阻值。

(

R_0

) 是参考电阻值（0°C 时为 1000 欧姆）。

(

A = 3.9083 \times 10^{-3}

)：铂的温度系数。

(

B = -5.775 \times 10^{-7}

)：二次项系数。

(

C = -4.183 \times 10^{-12}

)：三次项系数（低温校正系数）。

(

) 是摄氏温度（°C）。

1.2 应用场合

PT1000 适用于工业控制、科研实验及医疗设备，通常用于要求精度高且环境温度稳定的测量场景。

2. 热电偶温度传感器

2.1 工作原理

热电偶由两种不同金属材料构成。当金属接点处于不同温度时，会产生与温度差成正比的电动势（电压），称为热电势。热电偶的温度与产生的热电势之间关系可近似用下列公式表示：

V = a \cdot t + b \cdot t^2

其中：

(

) 是热电势（单位：微伏，μV）。

(

) 是温差（单位：°C）。

(

) 和 (

) 是根据材料特性确定的常数，例如，K 型热电偶中 (

a = 39.28

)、(

b = -0.1184

)。

2.2 应用场合

热电偶广泛用于冶金、锅炉及发动机监测等高温及动态温控场合，适合测量温度变化剧烈的环境。

3. 热敏电阻温度传感器

3.1 工作原理

热敏电阻的电阻值随温度的变化呈现显著变化。对于负温度系数（NTC）热敏电阻，其电阻值与温度的关系可以通过以下公式表示：

R_t = R_0 \cdot e^{\frac{B}{T} - \frac{B}{T_0}}

其中：

(

R_t

) 是温度 (

) 下的电阻值。

(

R_0

) 是参考温度 (

T_0

) 下的电阻值（通常为 25°C 下测量的电阻）。

(

) 是热敏电阻当前的绝对温度（单位：K）。

(

T_0

) 是参考温度（通常为 298.15 K，即 25°C）。

(

) 是热敏电阻的材料常数，通常在 2000~4500 K 范围内。

3.2 应用场合

热敏电阻适合用于环境温度监测、家用电器和电池保护等场合，尤其适合在 25~85°C 温区。

4. 红外温度传感器

4.1 工作原理

红外温度传感器基于物体辐射的红外能量随温度的升高而增强。通过测量红外辐射，传感器可以计算物体温度，符合 Stefan-Boltzmann 定律：

P = \sigma \cdot \varepsilon \cdot A \cdot T^4

其中：

(

) 是辐射能量（单位：瓦特，W）。

(

\sigma

) 是 Stefan-Boltzmann 常数（(

5.670 \times 10^{-8} \, W/(m^2 \cdot K^4)

)）。

(

\varepsilon

) 是物体表面的发射率，通常在 0 到 1 之间，取决于物体材质。

(

) 是物体表面积（单位：平方米，m²）。

(

) 是物体的绝对温度（单位：K）。

4.2 应用场合

红外温度传感器适用于需要非接触测温的场合，例如钢铁、玻璃等高温行业的监测以及人体测温仪。

5. 各种温度传感器的对比总结

参数	PT1000	热电偶	热敏电阻	红外温度传感器
温度范围	-200~850°C	-200~1800°C	-50~250°C	500~3000°C
精度	高	中等	低	中等
响应速度	中等	快	慢	快
适用环境	稳定环境	高温、动态测量	日常温控	高温非接触测量
线性	较好	较差	较差	较好
成本	高	中等	低	高

6. 各类温度传感器的常见型号分类

为了便于用户在应用中进行选择，以下列举了每种温度传感器的常见型号及其特点。

6.1 PT1000 温度传感器的常见型号

型号	特点与应用	温度范围	精度
PT1000-A	高精度、适用于工业控制	-200~850°C	±0.15°C
PT1000-B	中等精度、经济型	-200~850°C	±0.3°C
PT1000-EX	防爆型、适合危险环境	-200~600°C	±0.25°C
PT1000-SMD	表面贴装型、适合小型电路集成	-50~150°C	±0.5°C
PT1000-LT	低温版、适用于低温应用	-270~150°C	±0.2°C

6.2 热电偶温度传感器的常见型号

型号	特点与应用	温度范围	精度
K 型（镍铬-镍硅）	常用型号、耐高温、适用于多种环境	-200~1372°C	±1.5°C
J 型（铁-铜镍）	适用于低温、中温工业场合	-210~1200°C	±2°C
T 型（铜-铜镍）	高灵敏度、适合低温应用	-200~400°C	±0.5°C
E 型（镍铬-铜镍）	精度高、适用于实验室和科研	-200~1000°C	±1°C
R 型（铂铑-铂）	超高温测量、常用于冶金工业	0~1768°C	±1.5°C
S 型（铂铑-铂）	稳定性好、适合长期高温测量	0~1600°C	±1.5°C

6.3 热敏电阻温度传感器的常见型号

型号	特点与应用	温度范围	精度
NTC 10K	负温度系数、常用于环境和电子设备监测	-40~125°C	±1°C
NTC 100K	高阻抗、适合低功耗设备	-40~125°C	±1.5°C
PTC 1K	正温度系数、适用于过热保护	-50~200°C	±2°C
PTC 100	低阻抗、适合高温和快速响应场景	-40~150°C	±1°C
NTC 47K	宽温度范围、适合工业和医疗设备	-50~250°C	±0.5°C

6.4 红外温度传感器的常见型号

型号	特点与应用	温度范围	精度
MLX90614	非接触测量、适用于人体和物体测温	-70~380°C	±0.5°C
TMP007	超低功耗、适合便携式设备	-40~125°C	±1°C
GY-906	多功能型、适用于工业与医疗设备	-40~380°C	±0.5°C
IR-PYRO-550	高精度、适用于高温和恶劣环境测温	-20~1000°C	±0.2°C
D6T-44L-06	高灵敏度、适用于智能家居温控	-40~80°C	±1°C