温度传感器的类型原理特点和应用

序言

温度是反应物体冷热状态的参数，它与人们的生活密切相关，过高或者过低的温度会给人体带来不适，严重者甚至会威胁到生命。因此，对温度的监测十分重要。古时候人们就已经为检测温度做出了努力，“水瓶”亦可称“冰瓶”是古代人们用于监测温度的工具，通过观察瓶中水的状态变化判断温度的变化。随着科技的发展，人民生活水平的不断提高，对温度监测的要求也越来越高，现如今，温度传感器作为监测温度的重要手段之一，为人民的生活带来了极大的方便。本文就主要从类型、原理、特点及应用这四个方面来论述温度传感器。

1.温度传感器

许多人可能听过温度传感器，知道它是测量温度的，但具体的定义并不清楚。温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器品种繁多，主要分为四类，分别是热电偶传感器、热敏电阻传感器、电阻温度检测器以及IC温度传感器，其中IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种。温度的测量及控制对提高工作效率、保证生产品质以及促进经济发展有着至关重要的作用。

由于温度传感器是通过感知物体随温度变化而某种特性发生变化测得的，因而能当作温度传感器的材料有很多，如电阻的阻值可以随着温度的变化而变化，物质的热胀冷缩等，因而随着科技的发展，越来越多的温度传感器会不断出现在人们的身边。下面我们主要介绍四大类温度传感器。

2.热电偶传感器

两种不同导体或半导体的组合称为热电偶，热电势EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。热电偶测温度的基本原理是当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端，另一端温度为TO，称为自由端，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。根据热电动势与温度的函数关系可以求得温度。

                                                                                   图1  热电偶传感器

热电偶传感器装配简单，更换方便，是压簧式感温元件，抗震性好。它的测量范围大，一般是-200℃~1300℃，特殊情况下最低测量温度可达-270℃，最高测量温度达2800℃。除此之外，热电偶传感器机械强度高，耐压性好，制作工艺简单，价格便宜，在许多领域都能见识到它的身影。

根据热电偶传感器的特性要求热电偶的材料温度测量范围广，温度线性度好，测量准确度高，输出热电动势大，热电性能稳定，物理化学性能好，不蒸发抗氧化等等。我国标准的热电偶有六种，分别是铜-康铜，镍鉻-考铜，镍鉻-镍硅，镍鉻-镍铝，铂铑10-铂，铂铑30-铂铑6。

3.热敏电阻传感器

热敏电阻是敏感元件的一类，热敏电阻的电阻值会随着温度的变化而改变，与一般的固定电阻不同，属于可变电阻的一类，广泛应用于各种电子元器件中。不同于电阻温度计使用纯金属，在热敏电阻器中使用的材料通常是陶瓷或聚合物。正温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。热敏电阻通常在有限的温度范围内实现较高的精度，通常是-90℃〜130℃。

                                                                                  图2  热敏电阻传感器

热敏电阻的主要特点是灵敏度高，电阻温度系数比金属大十倍以上，工作范围广，目前最高能测2000℃，最低能测-273℃。且热敏电阻体积小，使用方便，易加工成复杂形状，可大批量生产。

4.电阻温度检测器

一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻係数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

电阻式温度检测器是最准确的温度传感器之一，它不仅提供良好的精度，也提供了出色的稳定性和可重复性。大多OMEGA的标准电阻温度检测器都符合DIN-IEC B类标准。除此之外，电阻温度检测器还相对防止电气噪声，因此非常适合在工业环境中的温度测量，特别是在电动机和发电机及其他高压设备的周围使用。

 

                                                                                   图3  电阻温度检测器

5.IC温度传感器

模拟温度传感器

                                                                                  图4 模拟温度传感器

常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、AD22103电压输出型、AD590电流输出型等。AD590是电流输出型温度传感器，供电电压范围是3~30V，输出电流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压注意R的阻值不能取太大，以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。

数字式温度传感器

输出为占空比的数字温度传感器采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用PTAT结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比与温度的关系如下式：DC=0.32+0.0047*t，t为摄氏度。输出数字信号故与微处理器MCU兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率优于0.005K。测量温度范围-45到130℃，故广泛被用于高精度场合。

                                                                                 图5  数字式温度传感器

若是采用数字式接口的温度传感器，则可通过单线和微处理器进行温度数据的传送，输出的方波信号具有正比于绝对温度的周期，利用微处理器内部的计数器测出周期后就可计算出温度。

可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器一般在芯片上分别设置了一个振荡频率温度系数较大的振荡器和一个温度系数较小的振荡器。在温度较低时，由于温度系数较小的振荡器开门时间较短，因此温度测量值较小，当温度较高时，其计数值增大，上述计数值基础上再加上一个同实际温度差的校正数据构成了精密的数字式温度传感器。

6.温度传感器的应用

在汽车领域中的应用---车用传感器是汽车电子设备的重要组成部分，它们担负着信息收集的任务。在汽车电喷发动机系统、自动空调系统中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。发动机热状态的测量、气体和液体温度的测量都需要用到温度传感器。试想一下，在一个炎热的夏天，你坐着一辆没有空调的车去往你的目的地，这是一件多么恐怖的事。因此，车用温度传感器必不可少。

在家用电器中的应用---温度传感器广泛应用于家用电器，如微波炉、空调、油烟机、吹风机、烤面包机、电磁炉、炒锅、冰箱、热水器、饮水机、洗衣机等等。

在医药方面的应用---现如今，诸多药品的研发与生产也开始对温度有了要求，如何保证药品在研发到运输到存储或食用这几个阶段内依旧安全有效，医药链温度监测是重中之重。有效使用温度传感器，病人患者的生命安全得到保障。

7.总结

温度传感器种类数量繁多，功能强大，已经深深的影响并改变了人们的生活。相信随着科学技术的发展，功能越来越强大且完善的温度传感器会使人们的生活水平越来越高，会给人们带来越来越多的便利，也会给人们的生命安全带来更多的保障。

参考资料

1. 《浅谈温度传感器的主要类型和应用》
2. 《温度传感器的工作原理》

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