热敏电阻、RTD、热电偶的原理和特性
1、热敏电阻
热敏电阻是一种传感器电阻，其电阻值随着温度的变化而改变。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC thermistor，即 Positive Temperature Coefficient thermistor）和负温度系数热敏电阻（NTC thermistor，即 Negative Temperature Coefficient thermistor）。正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小，它们同属于半导体器件。
热敏电阻的主要特点是：
1、灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大 10～100 倍以上，能检测出 10-6℃的温度变化；
2 、工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于 315℃（目前最高可达到 2000℃），低温器件适用于-273℃～-55℃；
3、体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；
4、使用方便，电阻值可在 0.1～100kΩ间任意选择；
5、易加工成复杂的形状，可大批量生产；
6、稳定性好、过载能力强。
热敏电阻电阻转温度（Steinhart-Hart 方程式），公式如下所示：
参数解析：
T = 温度，单位开
a，b，c = Steinhart-Hart 方程式常数
R=电阻，单位欧姆
热敏电阻温度转电阻（Steinhart-Hart 方程式），公式如下所示：
参数解析：
R = 电阻值，单位 QT=温度，单位开
a， b，c = Steinhart-Hart 方程式常数
x, y =温度到电阻换算方程式中用到的 Steinhart-Hart 因子
2、RTD 特性
RTD（Resistance Temperature Detector），电阻温度检测器，是一种特殊的电阻，其阻值会随着温度的升高而变大，随着温度的降低而减小。工业上利用它的这一特性进行温度测量，因此 RTD 也被俗称为“热电阻”。
并不是所有的金属都适合做成 RTD，符合这一特性的材料需要满足如下几个要求：
1、该金属的电阻值与温度变化能呈线性关系;
2、该金属对温度的变化比较敏感，即单位温度变化引起的阻值变化(温度系数)比较大;
3、该金属能够抵抗温度变化造成的疲劳，具有好的耐久性。
符合该要求的金属并不多，常见的 RTD 材料有：铂（Pt）、镍（Ni）和铜（Cu）。
以铂热电阻为例，根据其电阻值的不同，又可分为 PT50、PT100、PT200、PT500 和 PT1000 等。名称中的数值表示热电阻在 0℃下的电阻值。比如：PT100，表示该传感器在 0℃下的电阻值为 100Ω；而 PT1000，则表示该传感器在 0℃下的电阻值为 1000Ω。
根据 RTD 热电阻的引出线的数量的不同，RTD 可分为两线制、三线制和四线制。
两线制 RTD 的引线是直接在电阻的两端引出两条导线到测温模块上。测温模块采用电桥平衡的原理，RTD 作为电桥的一个臂进行测量。两线制 RTD 的示意图如下所示：
两线制 RTD 传感器没有考虑引出导线的电阻，误差较大，仅适用于精度要求不高的场合。
为了消除 RTD 引线对测量结果的影响，许多 RTD 采用三线制形式。三线制是在两线制的基础上，从电阻的—端引出第三条线，如下图所示：
三线制 RTD 可以在很大程度上消除传感器引线本身对测量结果的影响，检测精度比两线制有很大的提高。
四线制 RTD 是在三线制的基础上又增加了一条线，即电阻的两端各有两条线，如下图所示：
四线制 RTD 可以完全消除引线电阻的影响，精度非常高，一般用在实验室或者对精度要求很高的场合。
RTD 的线性度优于热电偶，是目前最精确和最稳定的温度传感器。但由于电阻的变化需要时间，因此其响应速度较慢，同时其价格也相对较贵，适用于对精度有一定要求且成本控制不严的场合。
RTD 温度与电阻换算，公式如下所示：
参数解析：
Rrtd = 温度范围内（-200℃<T<850℃）的 RTD 电阻
R = 对于 PT100 为 100W，对于 PT1000 为 1000W
A0，B0，C0 = Callendar-Van Dusen 常数
T = 温度，单位摄氏度（℃）
RTD 电阻与温度换算方程式（T>℃)
这个公式可以转换为以下形式，当 T≥0℃时，公式如下所示：
参数解析：
Rrtd = 温度范围内（-200℃ < T < 850℃）的 RTD 电阻
R = 100W
A0，B0，C0 = Callendar-Van Dusen 常数
T = 温度，单位摄氏度（℃）
针对不同 RTD 标准的 Callendar-Van Dusen 系数如下表所示：
举个例子，电阻值为 120Ω的 ITS-90 PT100 温度是多少?答案如下所示：
当 T＜0℃时，公式如下所示：
参数解析：
T = 温度，单位摄氏度（℃)
Rrtd = 温度范围内（T<0℃）的 RTD 电阻
ai = T<0℃时，将 RTD 电阻换算为温度的多项式系数
针对 5 阶 RTD 电阻至温度换算的系数如下表所示：
举个例子，电阻值为 60Ω的 ITS-90 PT100 温度是多少?答案如下所示：
之前我做过一款上位机可实现 PT100 电阻温度转换，将该部分公式代码分享给各位，如下所示：
3、热电偶
热电偶（thermocouple）是把两种不同材料的金属的一端连接起来，利用热电效应来测量温度的传感器，热电效应是热电偶的物理基础（当给一段金属丝的两端施加不同的温度时，金属丝的两端会产生电动势，闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为热电效应，也称为塞贝克效应）。
通过下图理解热电偶的工作原理，用两种不同颜色表示两种不同的金属材料，A、B 端在常温环境中用于测温端口，称为冷端，在 C 端进行加热。由于热电效应，在 A 端和 C 端以及 B 端和 C 端之间温度不同，所以会产生电势差。而因为两种金属材料的不同，会导致这两个电势差不一样，最终导致了 A 端和 B 端也有了电势差，通过测量这两个端的电势差，根据热电效应的线性关系就可以得出 A（B）端 和 C 端的温差。再通过一个已知温度的校准值和两种金属的线性系数，就可以计算出任意输出电势差对应的温度值了。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶中国从 1988 年 1 月 1 日起，热电偶和热电阻全部按 IEC 国际标准生产，并指定 S、B、E、K、R、J、T 七种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶。
从理论上讲，任何两种不同导体（或半导体）都可以配制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料，基本要求如下所示：
1、在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；
2、电阻温度系数小，导电率高，比热小；
3、测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；
4、材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。
本篇博文主要给各位分享 J 型热电偶和 K 型热电偶阻值温度换算公式。
将温度转换为电压的 J 型热电偶（ITS-90 标准），公式如下所示：
参数解析：
Vt = 热电电压
T = 温度，单位摄氏度
Ci = 转换系数
J 型热电偶温度到电压转换系数，如下表所示：
将电压转换为温度的 J 型热电偶（ITS-90 标准），公式如下所示：
参数解析：
Vt = 热电电压
T = 温度，单位摄氏度
Ci = 转换系数
J 型热电偶电压到温度转换系数，如下表所示：
将温度转换为电压的 K 型热电偶（ITS-90 标准），公式如下所示：
参数解析：
Vt = 热电电压
T = 温度，单位摄氏度
C = 转换系数
a0，a1 = 转换系数
K 型热电偶温度到电压转换系数，如下表所示：
将电压转换为温度的 K 型热电偶（ITS-90 标准），公式如下所示：
K 型热电偶电压到温度转换系数，如下表所示：
4、热敏电阻、RTD、热电偶的区别
总结热敏电阻、RTD、热电偶的区别可参见下表所示：
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【研究方向】物联网、嵌入式、AI、Python 2018.02.09 加入
嵌入式工程师，创客爱好者，公众号：美男子玩编程，全网粉丝10万+，软著专利10余项。 CSDN博客专家、微软MVP、华为云云享专家、阿里云专家博主、知乎认证科学技术领域答主。
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