溫度傳感器（Temperature Sensors）

所有傳感器中最常用的類(lèi)型是那些檢測溫度或熱量的傳感器。

這些類(lèi)型的溫度傳感器從簡(jiǎn)單的控制家用熱水加熱系統的開(kāi)關(guān)恒溫設備，到可以控制復雜過(guò)程控制爐設備的高靈敏度半導體類(lèi)型不等。

我們記得在學(xué)?？茖W(xué)課上，分子和原子的運動(dòng)產(chǎn)生熱量（動(dòng)能），運動(dòng)越大，產(chǎn)生的熱量越多。溫度傳感器測量物體或系統產(chǎn)生的熱量或冷度，使我們能夠“感知”或檢測該溫度的物理變化，產(chǎn)生模擬或數字輸出。

有許多不同類(lèi)型的溫度傳感器可用，根據其實(shí)際應用，所有傳感器都有不同的特性。溫度傳感器由兩種基本物理類(lèi)型組成：

接觸式溫度傳感器類(lèi)型 – 這些類(lèi)型的溫度傳感器需要與被感測物體進(jìn)行物理接觸，并使用傳導來(lái)監測溫度變化。它們可以用于檢測固體、液體或氣體在廣泛溫度范圍內的溫度。

非接觸式溫度傳感器類(lèi)型 – 這些類(lèi)型的溫度傳感器使用對流和輻射來(lái)監測溫度變化。它們可以用于檢測液體和氣體，這些液體和氣體在熱上升和冷沉降到對流底部時(shí)發(fā)出輻射能量，或者檢測從物體以紅外輻射形式傳輸的輻射能量（太陽(yáng)）。

接觸式或非接觸式溫度傳感器的兩種基本類(lèi)型還可以細分為以下三類(lèi)傳感器：機電式、電阻式和電子式，所有三種類(lèi)型都在下面討論。

恒溫器作為溫度傳感器

恒溫器是一種接觸式機電溫度傳感器或開(kāi)關(guān)，基本上由兩種不同的金屬（如鎳、銅、鎢或鋁等）組成，它們粘合在一起形成雙金屬條。當雙金屬條受熱時(shí)，兩種不同金屬的不同線(xiàn)性膨脹率會(huì )產(chǎn)生機械彎曲運動(dòng)。

雙金屬條本身可以用作電氣開(kāi)關(guān)，或者作為在恒溫控制中操作電氣開(kāi)關(guān)的機械方式，廣泛用于控制鍋爐、爐子、熱水儲罐以及車(chē)輛散熱器冷卻系統中的熱水加熱元件。

雙金屬恒溫器

雙金屬條恒溫器

恒溫器由兩種熱學(xué)上不同的金屬背靠背粘合在一起組成。當它冷時(shí)，觸點(diǎn)閉合，電流通過(guò)恒溫器。當它變熱時(shí)，一種金屬比另一種金屬膨脹更多，粘合的雙金屬條向上（或向下）彎曲，打開(kāi)觸點(diǎn)，阻止電流流動(dòng)。

恒溫器溫度傳感器

開(kāi)關(guān)恒溫器

基于溫度變化時(shí)的運動(dòng)，主要有兩種類(lèi)型的雙金屬條。有“瞬時(shí)動(dòng)作”類(lèi)型，在設定溫度點(diǎn)對電氣觸點(diǎn)產(chǎn)生瞬時(shí)“開(kāi)/關(guān)”或“關(guān)/開(kāi)”類(lèi)型動(dòng)作，以及較慢的“蠕動(dòng)動(dòng)作”類(lèi)型，隨著(zhù)溫度變化逐漸改變其位置。

瞬時(shí)動(dòng)作類(lèi)型恒溫器通常用于我們家中控制烤箱、熨斗、浸入式熱水箱的溫度設定點(diǎn)，也可以在墻上找到用于控制家用加熱系統。

蠕動(dòng)類(lèi)型通常由雙金屬線(xiàn)圈或螺旋組成，隨著(zhù)溫度變化緩慢展開(kāi)或卷起。通常，蠕動(dòng)類(lèi)型雙金屬條對溫度變化比標準開(kāi)關(guān)類(lèi)型更敏感，因為條更長(cháng)更薄，使其非常適合用于溫度計和刻度盤(pán)等。

雖然非常便宜并且在廣泛的操作范圍內可用，但當用作溫度傳感器時(shí)，標準瞬時(shí)動(dòng)作類(lèi)型恒溫器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，從電氣觸點(diǎn)打開(kāi)到再次關(guān)閉，它們有很大的滯后范圍。例如，它可能設定為20°C，但可能直到22°C才打開(kāi)，或者直到18°C才再次關(guān)閉。

因此，溫度波動(dòng)的范圍可能相當高。商業(yè)上可用的家用雙金屬恒溫器確實(shí)有溫度調節螺釘，允許更精確地預設所需溫度設定點(diǎn)和滯后水平。

熱敏電阻作為溫度傳感器

熱敏電阻是另一種類(lèi)型的溫度傳感器，其名稱(chēng)是“熱敏電阻”的組合。熱敏電阻是一種特殊類(lèi)型的電阻器，當暴露于溫度變化時(shí)，其物理電阻會(huì )發(fā)生變化。

熱敏電阻溫度傳感器

熱敏電阻

熱敏電阻通常由陶瓷材料制成，如鎳、錳或鈷的氧化物涂覆在玻璃中，這使得它們容易損壞。它們相對于瞬時(shí)動(dòng)作類(lèi)型的主要優(yōu)勢在于它們對溫度變化、準確性和重復性的響應速度。

大多數類(lèi)型的熱敏電阻具有負溫度系數（NTC），即它們的電阻值隨著(zhù)溫度的升高而下降，當然也有一些具有正溫度系數（PTC），即它們的電阻值隨著(zhù)溫度的升高而上升。

熱敏電阻由陶瓷型半導體材料制成，使用金屬氧化物技術(shù)，如錳、鈷和鎳等。半導體材料通常形成小壓制盤(pán)或球，密封以對任何溫度變化提供相對快速的響應。

熱敏電阻按其室溫下的電阻值（通常在25°C）、時(shí)間常數（對溫度變化的反應時(shí)間）和相對于通過(guò)它們的電流的額定功率進(jìn)行評級。像電阻器一樣，熱敏電阻在室溫下的電阻值從幾十兆歐到幾歐姆不等，但對于傳感目的，通常使用千歐姆值的類(lèi)型。

熱敏電阻是被動(dòng)電阻器件，這意味著(zhù)我們需要通過(guò)它傳遞電流以產(chǎn)生可測量的電壓輸出。然后，熱敏電阻通常與合適的偏置電阻串聯(lián)，形成分壓網(wǎng)絡(luò )，電阻的選擇在某些預定溫度點(diǎn)或值下提供電壓輸出，例如：

溫度傳感器示例1

以下熱敏電阻在25°C時(shí)的電阻值為10KΩ，在100°C時(shí)的電阻值為100Ω。計算熱敏電阻上的電壓降，從而計算其在12V電源上與1kΩ電阻串聯(lián)時(shí)的輸出電壓（Vout）。

熱敏電阻電路

在25°C時(shí)

25度時(shí)的熱敏電阻

在100°C時(shí)

100度時(shí)的熱敏電阻

通過(guò)將固定電阻值R2（在我們的示例中為1kΩ）更改為電位器或預設，可以在預定溫度設定點(diǎn)獲得電壓輸出，例如，在60°C時(shí)5V輸出，并且通過(guò)調節電位器，可以在更廣泛的溫度范圍內獲得特定的輸出電壓水平。

然而，需要注意的是，熱敏電阻是非線(xiàn)性器件，它們在室溫下的標準電阻值在不同熱敏電阻之間是不同的，這主要是由于它們由半導體材料制成。熱敏電阻具有隨溫度的指數變化，因此具有Beta溫度常數（β），可用于計算其在任何給定溫度點(diǎn)的電阻。

然而，當與串聯(lián)電阻（如分壓網(wǎng)絡(luò )或惠斯通電橋類(lèi)型布置）一起使用時(shí)，響應于施加到分壓/電橋網(wǎng)絡(luò )的電壓獲得的電流隨溫度線(xiàn)性變化。然后，電阻上的輸出電壓隨溫度線(xiàn)性變化。

電阻溫度檢測器（RTD）

另一種類(lèi)型的電阻溫度傳感器是電阻溫度檢測器或RTD。RTD是由高純度導電金屬（如鉑、銅或鎳）繞成線(xiàn)圈制成的精密溫度傳感器，其電阻隨溫度變化而變化，類(lèi)似于熱敏電阻。還有薄膜RTD。這些器件在白色陶瓷基板上沉積了一層鉑漿薄膜。

電阻溫度檢測器

電阻RTD

電阻溫度檢測器具有正溫度系數（PTC），但與熱敏電阻不同，它們的輸出非常線(xiàn)性，產(chǎn)生非常準確的溫度測量。

然而，它們的熱靈敏度非常差，即溫度變化僅產(chǎn)生非常小的輸出變化，例如，1Ω/°C。

更常見(jiàn)的RTD類(lèi)型由鉑制成，稱(chēng)為鉑電阻溫度計或PRT，其中最常用的是Pt100傳感器，其在0°C時(shí)的標準電阻值為100Ω。缺點(diǎn)是鉑昂貴，這種類(lèi)型設備的主要缺點(diǎn)之一是其成本。

像熱敏電阻一樣，RTD是被動(dòng)電阻器件，通過(guò)向溫度傳感器傳遞恒定電流，可以獲得隨溫度線(xiàn)性增加的輸出電壓。典型的RTD在0°C時(shí)的基本電阻約為100Ω，在100°C時(shí)增加到約140Ω，工作溫度范圍在-200至+600°C之間。

由于RTD是電阻器件，我們需要通過(guò)它們傳遞電流并監測產(chǎn)生的電壓。然而，由于電流通過(guò)時(shí)電阻線(xiàn)的自熱，I2R（歐姆定律）會(huì )導致讀數誤差。為了避免這種情況，RTD通常連接到惠斯通電橋網(wǎng)絡(luò )中，該網(wǎng)絡(luò )具有額外的連接線(xiàn)用于引線(xiàn)補償和/或連接到恒定電流源。

熱電偶作為溫度傳感器

熱電偶是迄今為止最常用的溫度傳感器類(lèi)型。熱電偶因其簡(jiǎn)單性、易用性和對溫度變化的快速響應而受歡迎，這主要是由于其小尺寸。熱電偶還具有所有溫度傳感器中最寬的溫度范圍，從低于-200°C到超過(guò)2000°C。

熱電偶是熱電傳感器，基本上由兩種不同金屬（如銅和康銅）的兩個(gè)接點(diǎn)組成，這些接點(diǎn)焊接或壓接在一起。一個(gè)接點(diǎn)保持在恒定溫度，稱(chēng)為參考（冷）接點(diǎn)，而另一個(gè)接點(diǎn)是測量（熱）接點(diǎn)。當兩個(gè)接點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，接點(diǎn)之間會(huì )產(chǎn)生電壓，用于測量溫度傳感器，如下所示。

熱電偶結構

熱電偶溫度傳感器

熱電偶的操作原理非常簡(jiǎn)單和基本。當兩種不同金屬（如銅和康銅）熔合在一起時(shí)，接點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生“熱電”效應，在它們之間產(chǎn)生僅幾毫伏（mV）的恒定電位差。兩個(gè)接點(diǎn)之間的電壓差稱(chēng)為“塞貝克效應”，因為沿導線(xiàn)的溫度梯度產(chǎn)生電動(dòng)勢。然后，熱電偶的輸出電壓是溫度變化的函數。

如果兩個(gè)接點(diǎn)處于相同溫度，則兩個(gè)接點(diǎn)之間的電位差為零，換句話(huà)說(shuō)，沒(méi)有電壓輸出，因為V1 = V2。然而，當接點(diǎn)連接在電路中并且處于不同溫度時(shí)，將檢測到相對于兩個(gè)接點(diǎn)之間溫度差的電壓輸出，V1 – V2。這種電壓差將隨溫度增加，直到達到接點(diǎn)的峰值電壓水平，這由所使用的兩種不同金屬的特性決定。

熱電偶可以由各種不同材料制成，從而能夠測量-200°C至超過(guò)+2000°C的極端溫度。由于材料和溫度范圍的選擇如此廣泛，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了國際認可的標準，并附有熱電偶顏色代碼，以允許用戶(hù)為特定應用選擇正確的熱電偶傳感器。標準熱電偶的英國顏色代碼如下。

熱電偶顏色代碼

上述用于一般溫度測量的三種最常見(jiàn)熱電偶材料是鐵-康銅（J型）、銅-康銅（T型）和鎳-鉻（K型）。熱電偶的輸出電壓非常小，溫度差每變化10°C僅幾毫伏（mV），由于這種小電壓輸出，通常需要某種形式的放大。

熱電偶放大

溫度傳感器放大器

放大器的類(lèi)型，無(wú)論是分立式還是運算放大器形式，都需要仔細選擇，因為需要良好的漂移穩定性以防止頻繁重新校準熱電偶。這使得斬波器和儀器放大器類(lèi)型更適合大多數溫度傳感應用。

這里未提及的其他溫度傳感器類(lèi)型包括半導體結傳感器、紅外和熱輻射傳感器、醫用溫度計、指示器和顏色變化墨水或染料。

在本教程關(guān)于“溫度傳感器類(lèi)型”中，我們討論了幾個(gè)用于測量溫度變化的傳感器示例。在下一個(gè)教程中，我們將討論用于測量光量的傳感器，如光電二極管、光電晶體管、光伏電池和光敏電阻。