2. 常见厂务传感器类型与选型
在厂务数据上云项目中，传感器是物理世界与数字系统的桥梁。选型错误将直接导致数据失真、系统误判甚至设备损坏。本章系统梳理温度、湿度、压力、流量、振动、气体六类核心传感器的工作原理与选型要点，帮助工程师在项目初期建立正确的选型框架。
选型核心原则： 量程覆盖工况、精度满足控制需求、输出信号与网关匹配、防护等级适应现场环境、长期稳定性优于维护周期。
2.1 温度传感器
工作原理
- 热电偶： 利用塞贝克效应，两种不同金属导体在两端温度不同时产生热电势。测温范围广（-200°C ~ 1800°C），适合高温环境（如锅炉、窑炉）。
- 热电阻（RTD）： 利用金属电阻随温度升高而增大的特性。常用 Pt100（0°C 时 100Ω），精度高、线性好，适用于 -200°C ~ 600°C 的洁净室、空调系统。
- 热敏电阻（NTC/PTC）： 半导体材料，电阻随温度变化显著。NTC 用于 -50°C ~ 300°C 的精密测量，响应快但线性差。
- 半导体集成传感器： 如 DS18B20、SHT30，数字输出，直接与 MCU 通信，适合分布式低成本监测。
选型要点
| 参数 | 热电偶 | Pt100 热电阻 | NTC 热敏电阻 | 数字集成 |
|---|---|---|---|---|
| 测温范围 | -200 ~ 1800°C | -200 ~ 600°C | -50 ~ 300°C | -55 ~ 125°C |
| 精度 | ±1.5°C ~ ±5°C | ±0.1°C ~ ±0.3°C | ±0.2°C ~ ±1°C | ±0.2°C ~ ±0.5°C |
| 输出信号 | mV 级电压 | 电阻（需变送器） | 电阻（需变送器） | I²C / 1-Wire |
| 典型应用 | 锅炉、烟道 | 洁净室、管道 | 设备表面、电池 | 环境监测 |
选型提示： 厂务空调系统推荐 Pt100 或数字集成传感器；高温工艺段（>300°C）必须选热电偶；注意冷端补偿对热电偶精度的影响。
2.2 湿度传感器
工作原理
- 电容式： 高分子薄膜吸湿后介电常数变化，引起电容值变化。主流方案，精度高、响应快、长期稳定性好。
- 电阻式： 吸湿材料电阻随湿度变化，成本低但线性差，易受污染。
- 露点传感器： 通过镜面冷凝或阻抗变化测量露点温度，用于压缩空气干燥度监测。
选型要点
| 参数 | 电容式 | 电阻式 | 露点式 |
|---|---|---|---|
| 量程 | 0 ~ 100% RH | 20 ~ 90% RH | -80 ~ 20°C DP |
| 精度 | ±2% RH | ±5% RH | ±2°C DP |
| 响应时间 | < 8s | < 30s | < 60s |
| 典型应用 | 洁净室、仓库 | 低成本环境 | 压缩空气、干燥房 |
注意： 湿度传感器对结露敏感，高湿环境（>95% RH）需选择抗结露型号；电容式传感器需定期校准，建议每年一次。
2.3 压力传感器
工作原理
- 压阻式： 硅片上的压敏电阻受压力作用产生电阻变化，经惠斯通电桥输出电信号。精度高、体积小，是工业主流。
- 电容式： 压力使膜片位移，改变电容极板间距。适合低压、高精度测量。
- 陶瓷压阻式： 陶瓷膜片耐腐蚀、抗过载，适合化工、水处理等恶劣环境。
选型要点
| 参数 | 压阻式 | 电容式 | 陶瓷压阻式 |
|---|---|---|---|
| 量程 | 0 ~ 100 MPa | 0 ~ 1 MPa | 0 ~ 60 MPa |
| 精度 | 0.1% ~ 0.5% FS | 0.05% ~ 0.2% FS | 0.2% ~ 0.5% FS |
| 过载能力 | 2x 量程 | 1.5x 量程 | 5x 量程 |
| 典型应用 | 液压、气动 | 微压、风压 | 化工、污水 |
选型提示： 注意区分绝压、表压、差压三种参考类型；蒸汽管道需选高温型（带散热片）；防爆区域必须选本安型或隔爆型。
2.4 流量传感器
工作原理
- 电磁式： 法拉第电磁感应定律，导电流体切割磁感线产生感应电势。适合导电液体（水、污水、酸碱液），无压损。
- 涡街式： 流体中放置阻流体，产生卡门涡街，涡街频率与流速成正比。适合蒸汽、气体、液体。
- 超声波式： 利用声波在顺流/逆流中的传播时间差。非接触测量，适合大管径、腐蚀性介质。
- 热式： 加热元件散热速率与质量流量相关。适合气体质量流量测量。
选型要点
| 参数 | 电磁式 | 涡街式 | 超声波式 | 热式 |
|---|---|---|---|---|
| 适用介质 | 导电液体 | 液体/气体/蒸汽 | 液体/气体 | 气体 |
| 管径范围 | DN10 ~ DN3000 | DN15 ~ DN300 | DN25 ~ DN4000 | DN10 ~ DN200 |
| 精度 | 0.2% ~ 0.5% | 0.5% ~ 1.0% | 0.5% ~ 1.0% | 1.0% ~ 2.0% |
| 压损 | 无 | 中等 | 无 | 中等 |
选型口诀： 导电液体用电磁，蒸汽涡街最可靠；大管径选超声波，气体质量找热式。
2.5 振动传感器
工作原理
- 压电式加速度计： 压电晶体受振动加速度作用产生电荷信号。频率响应宽（0.5 Hz ~ 10 kHz），适合旋转机械轴承振动监测。
- MEMS 加速度计： 微机械结构电容变化，数字输出，成本低、体积小，适合在线批量部署。
- 速度传感器： 动圈式结构，输出与振动速度成正比，常用于低频振动测量。
选型要点
| 参数 | 压电式 | MEMS | 速度传感器 |
|---|---|---|---|
| 频率范围 | 0.5 Hz ~ 10 kHz | 0 Hz ~ 2 kHz | 1 Hz ~ 1 kHz |
| 量程 | ±50 g ~ ±500 g | ±2 g ~ ±200 g | ±20 mm/s ~ ±200 mm/s |
| 输出 | 电荷/电压 | 数字（I²C/SPI） | 电压 |
| 典型应用 | 电机、泵、风机 | 状态监测系统 | 低速旋转设备 |
安装注意： 振动传感器安装面必须平整、清洁，使用螺纹连接或磁吸座；避免在高温（>120°C）环境使用普通压电式，需选高温型。
2.6 气体传感器
工作原理
- 电化学式： 气体在电极上发生氧化/还原反应，产生电流。选择性好、功耗低，适合有毒气体（CO、H₂S、Cl₂）。
- 催化燃烧式： 可燃气体在催化元件表面燃烧，引起电阻变化。适合可燃气体（CH₄、H₂、LPG）检测。
- 红外（NDIR）： 气体分子吸收特定波长红外光，通过光强衰减计算浓度。寿命长、抗中毒，适合 CO₂、CH₄。
- 半导体式： 气体吸附改变半导体电导率。成本低、灵敏度高，但选择性差，适合定性检测。
选型要点
| 参数 | 电化学 | 催化燃烧 | 红外 NDIR | 半导体 |
|---|---|---|---|---|
| 检测气体 | 有毒气体 | 可燃气体 | CO₂、CH₄ | 多种气体 |
| 量程 | ppm 级 | 0 ~ 100% LEL | 0 ~ 5000 ppm | ppm ~ % 级 |
| 寿命 | 2 ~ 3 年 | 3 ~ 5 年 | 5 ~ 10 年 | 3 ~ 5 年 |
| 典型应用 | 安全监测 | 燃气泄漏 | 空气质量 | 环境监测 |
选型提示： 厂务安全监测优先选电化学传感器（有毒）和催化燃烧传感器（可燃）；CO₂ 监测推荐 NDIR；半导体传感器仅用于定性预警，不用于精确测量。