溫度傳感器（Temperature Sensors）

所有傳感器中最常用的類型是那些檢測(cè)溫度或熱量的傳感器。

這些類型的溫度傳感器從簡(jiǎn)單的控制家用熱水加熱系統(tǒng)的開關(guān)恒溫設(shè)備，到可以控制復(fù)雜過程控制爐設(shè)備的高靈敏度半導(dǎo)體類型不等。

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

有許多不同類型的溫度傳感器可用，根據(jù)其實(shí)際應(yīng)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型組成：

接觸式溫度傳感器類型 – 這些類型的溫度傳感器需要與被感測(cè)物體進(jìn)行物理接觸，并使用傳導(dǎo)來監(jiān)測(cè)溫度變化。它們可以用于檢測(cè)固體、液體或氣體在廣泛溫度范圍內(nèi)的溫度。

非接觸式溫度傳感器類型 – 這些類型的溫度傳感器使用對(duì)流和輻射來監(jiān)測(cè)溫度變化。它們可以用于檢測(cè)液體和氣體，這些液體和氣體在熱上升和冷沉降到對(duì)流底部時(shí)發(fā)出輻射能量，或者檢測(cè)從物體以紅外輻射形式傳輸?shù)妮椛淠芰浚ㄌ?yáng)）。

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

恒溫器作為溫度傳感器

恒溫器是一種接觸式機(jī)電溫度傳感器或開關(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(dāng)雙金屬條受熱時(shí)，兩種不同金屬的不同線性膨脹率會(huì)產(chǎn)生機(jī)械彎曲運(yùn)動(dòng)。

雙金屬條本身可以用作電氣開關(guān)，或者作為在恒溫控制中操作電氣開關(guān)的機(jī)械方式，廣泛用于控制鍋爐、爐子、熱水儲(chǔ)罐以及車輛散熱器冷卻系統(tǒng)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(dāng)它冷時(shí)，觸點(diǎn)閉合，電流通過恒溫器。當(dāng)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，打開觸點(diǎn)，阻止電流流動(dòng)。

恒溫器溫度傳感器

開關(guān)恒溫器

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

瞬時(shí)動(dòng)作類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(shè)定點(diǎn)，也可以在墻上找到用于控制家用加熱系統(tǒng)。

蠕動(dòng)類型通常由雙金屬線圈或螺旋組成，隨著溫度變化緩慢展開或卷起。通常，蠕動(dòng)類型雙金屬條對(duì)溫度變化比標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)類型更敏感，因?yàn)闂l更長(zhǎng)更薄，使其非常適合用于溫度計(jì)和刻度盤等。

雖然非常便宜并且在廣泛的操作范圍內(nèi)可用，但當(dāng)用作溫度傳感器時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)瞬時(shí)動(dòng)作類型恒溫器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是，從電氣觸點(diǎn)打開到再次關(guān)閉，它們有很大的滯后范圍。例如，它可能設(shè)定為20°C，但可能直到22°C才打開，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(dāng)高。商業(yè)上可用的家用雙金屬恒溫器確實(shí)有溫度調(diào)節(jié)螺釘，允許更精確地預(yù)設(shè)所需溫度設(shè)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型的溫度傳感器，其名稱是“熱敏電阻”的組合。熱敏電阻是一種特殊類型的電阻器，當(dāng)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?nèi)菀讚p壞。它們相對(duì)于瞬時(shí)動(dòng)作類型的主要優(yōu)勢(shì)在于它們對(duì)溫度變化、準(zhǔn)確性和重復(fù)性的響應(yīng)速度。

大多數(shù)類型的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)（NTC），即它們的電阻值隨著溫度的升高而下降，當(dāng)然也有一些具有正溫度系數(shù)（PTC），即它們的電阻值隨著溫度的升高而上升。

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

熱敏電阻按其室溫下的電阻值（通常在25°C）、時(shí)間常數(shù)（對(duì)溫度變化的反應(yīng)時(shí)間）和相對(duì)于通過它們的電流的額定功率進(jìn)行評(píng)級(jí)。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(duì)于傳感目的，通常使用千歐姆值的類型。

熱敏電阻是被動(dòng)電阻器件，這意味著我們需要通過它傳遞電流以產(chǎn)生可測(cè)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(yù)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(jì)算熱敏電阻上的電壓降，從而計(jì)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

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

然而，需要注意的是，熱敏電阻是非線性器件，它們?cè)谑覝叵碌臉?biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體材料制成。熱敏電阻具有隨溫度的指數(shù)變化，因此具有Beta溫度常數(shù)（β），可用于計(jì)算其在任何給定溫度點(diǎn)的電阻。

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

電阻溫度檢測(cè)器（RTD）

另一種類型的電阻溫度傳感器是電阻溫度檢測(cè)器或RTD。RTD是由高純度導(dǎo)電金屬（如鉑、銅或鎳）繞成線圈制成的精密溫度傳感器，其電阻隨溫度變化而變化，類似于熱敏電阻。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(cè)器

電阻RTD

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

更常見的RTD類型由鉑制成，稱為鉑電阻溫度計(jì)或PRT，其中最常用的是Pt100傳感器，其在0°C時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為100Ω。缺點(diǎn)是鉑昂貴，這種類型設(shè)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，通過向溫度傳感器傳遞恒定電流，可以獲得隨溫度線性增加的輸出電壓。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，我們需要通過它們傳遞電流并監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的電壓。然而，由于電流通過時(shí)電阻線的自熱，I2R（歐姆定律）會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)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)具有額外的連接線用于引線補(bǔ)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型。熱電偶因其簡(jiǎn)單性、易用性和對(duì)溫度變化的快速響應(yīng)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，稱為參考（冷）接點(diǎn)，而另一個(gè)接點(diǎn)是測(cè)量（熱）接點(diǎn)。當(dāng)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(cè)量溫度傳感器，如下所示。

熱電偶結(jié)構(gòu)

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(dāng)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(yīng)，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)之間的電壓差稱為“塞貝克效應(yīng)”，因?yàn)檠貙?dǎo)線的溫度梯度產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。然后，熱電偶的輸出電壓是溫度變化的函數(shù)。

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，換句話說，沒有電壓輸出，因?yàn)閂1 = V2。然而，當(dāng)接點(diǎn)連接在電路中并且處于不同溫度時(shí)，將檢測(cè)到相對(duì)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(dá)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(cè)量-200°C至超過+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)開發(fā)了國(guó)際認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，并附有熱電偶顏色代碼，以允許用戶為特定應(yīng)用選擇正確的熱電偶傳感器。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的英國(guó)顏色代碼如下。

熱電偶顏色代碼

上述用于一般溫度測(cè)量的三種最常見熱電偶材料是鐵-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

放大器的類型，無(wú)論是分立式還是運(yùn)算放大器形式，都需要仔細(xì)選擇，因?yàn)樾枰己玫钠品€(wěn)定性以防止頻繁重新校準(zhǔn)熱電偶。這使得斬波器和儀器放大器類型更適合大多數(shù)溫度傳感應(yīng)用。

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

在本教程關(guān)于“溫度傳感器類型”中，我們討論了幾個(gè)用于測(cè)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(cè)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。