溫度傳感器的概念、類型及工作原理

在我們的日常生活中，大家應(yīng)該都會經(jīng)常見到溫度計、熱水器、微波爐、冰箱等。這些都會應(yīng)用到一個重要的器件--溫度傳感器，這篇文章就來給大家介紹一下溫度傳感器、溫度傳感器原理、溫度傳感器的類型。

什么是溫度傳感器?

溫度傳感器是一種測量物體冷熱程度的設(shè)備，以可讀的形式通過電信號提供溫度測量。比較常見的是熱電偶和電阻溫度檢測器。

溫度傳感器類型

在實(shí)際應(yīng)用中，有許多的溫度傳感器可以用，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用具有不同的特性，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對象物理接觸，并使用傳導(dǎo)來監(jiān)測溫度變化。它們可用于在很寬的溫度范圍內(nèi)檢測固體、液體或氣體。

非接觸式溫度傳感器類型——這些類型的溫度傳感器使用對流和輻射來監(jiān)測溫度變化。它們可用于檢測液體和氣體，這些液體和氣體隨著熱量的升高和冷在對流中沉降到底部而發(fā)射輻射能，或者檢測以紅外輻射(太陽)形式從物體傳輸?shù)妮椛淠堋?/p>

接觸式和非接觸式溫度傳感器進(jìn)一步分為以下溫度傳感器，接下來將對這些溫度傳感器的原理進(jìn)行解釋

溫度傳感器原理

一、溫度傳感器工作原理--恒溫器

恒溫器是一種接觸式溫度傳感器，由兩種不同金屬(如鋁、銅、鎳或鎢)組成的雙金屬條組成。

兩種金屬的線性膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致它們在受熱時產(chǎn)生機(jī)械彎曲運(yùn)動。

一、溫度傳感器工作原理--雙金屬恒溫器

恒溫器由兩種熱度不同的金屬背靠背粘在一起組成。當(dāng)天氣寒冷時，觸點(diǎn)閉合，電流通過恒溫器。當(dāng)它變熱時，一種金屬比另一種金屬膨脹得更多，粘合的雙金屬條向上(或向下)彎曲，打開觸點(diǎn)，防止電流流動。

有兩種主要類型的雙金屬條，主要基于它們在受到溫度變化時的運(yùn)動。有在設(shè)定溫度點(diǎn)對電觸點(diǎn)產(chǎn)生瞬時“開/關(guān)”或“關(guān)/開”類型動作的“速動”類型，以及逐漸改變其位置的較慢“蠕變”類型隨著溫度的變化。

雙金屬恒溫器工作原理圖

速動型恒溫器通常用于我們家中，用于控制烤箱、熨斗、浸入式熱水箱的溫度設(shè)定點(diǎn)，也可以在墻上找到它們來控制家庭供暖系統(tǒng)。

爬行器類型通常由雙金屬線圈或螺旋組成，隨著溫度的變化緩慢展開或盤繞。一般來說，爬行型雙金屬條對溫度變化比標(biāo)準(zhǔn)的按扣開/關(guān)類型更敏感，因?yàn)闂l更長更薄，非常適合用于溫度計和表盤等。

二、溫度傳感器工作原理--熱敏電阻

熱敏電阻通常由陶瓷材料制成，例如鍍在玻璃中的鎳、錳或鈷的氧化物，這使得它們很容易損壞。與速動類型相比，它們的主要優(yōu)勢在于它們對溫度、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的任何變化的響應(yīng)速度。

大多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)(NTC)，這意味著它們的電阻隨著溫度的升高而降低。但是，有一些熱敏電阻具有正溫度系數(shù) (PTC)，并且它們的電阻隨著溫度的升高而增加。

熱敏電阻的額定值取決于它們在室溫下的電阻值(通常為 25 o C)、它們的時間常數(shù)(對溫度變化作出反應(yīng)的時間)以及它們相對于流過它們的電流的額定功率。與電阻一樣，熱敏電阻在室溫下的電阻值從 10 兆歐到幾歐姆不等，但出于傳感目的，通常使用以千歐為單位的那些類型。

溫度傳感器示例 No1

以下熱敏電阻在 25℃ 時的電阻值為 10KΩ，在 100℃時的電阻值為 100Ω 。當(dāng)與 1kΩ 電阻器串聯(lián)時，計算熱敏電阻兩端的電壓降，從而計算兩種溫度下的輸出電壓 (Vout)跨過 12v 電源。

溫度傳感器示例圖

25攝氏度

100攝氏度

通過將 R2 的固定電阻值(在我們的示例中為 1kΩ)更改為電位計或預(yù)設(shè)值，可以在預(yù)定的溫度設(shè)定點(diǎn)獲得電壓輸出，例如 60℃ 時的 5v 輸出，并通過改變電位計獲得特定的輸出電壓水平可以在更寬的溫度范圍內(nèi)獲得。

但是需要注意的是，熱敏電阻是非線性器件，不同熱敏電阻在室溫下的標(biāo)準(zhǔn)電阻值是不同的，這主要是由于它們是由半導(dǎo)體材料制成的。熱敏電阻隨溫度呈指數(shù)變化，因此具有 Beta 溫度常數(shù) ( β )，可用于計算任何給定溫度點(diǎn)的電阻。

然而，當(dāng)與串聯(lián)電阻一起使用時，例如在分壓器網(wǎng)絡(luò)或惠斯通電橋型布置中，響應(yīng)于施加到分壓器/電橋網(wǎng)絡(luò)的電壓而獲得的電流與溫度成線性關(guān)系。然后，電阻兩端的輸出電壓與溫度成線性關(guān)系。

三、溫度傳感器工作原理--電阻式溫度檢測器(RTD)

RTD 是精確的溫度傳感器，由高純度導(dǎo)電金屬(如鉑、銅或鎳)繞成線圈制成。RTD 的電阻變化類似于熱敏電阻。也可提供薄膜 RTD。這些器件有一層薄薄的鉑膏沉積在白色陶瓷基板上。

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

但是，它們的熱靈敏度非常差，即溫度變化只會產(chǎn)生非常小的輸出變化，例如 1Ω/ o C。

更常見的 RTD 類型由鉑制成，稱為鉑電阻溫度計或PRT，其中最常見的是 Pt100 傳感器，其在 0 ℃時的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為 100Ω。缺點(diǎn)是鉑價格昂貴，這種設(shè)備的主要缺點(diǎn)之一是其成本。

與熱敏電阻一樣，RTD 是無源電阻器件，通過使恒定電流通過溫度傳感器，可以獲得隨溫度線性增加的輸出電壓。典型的 RTD 在 0 ℃ 時的基極電阻約為 100Ω，在 100 ℃ 時增加到約 140 Ω，工作溫度范圍在 -200 至 +600 ℃ 之間。

因?yàn)?RTD 是一個電阻設(shè)備，我們需要讓電流通過它們并監(jiān)控產(chǎn)生的電壓。然而，當(dāng)電流流過電阻線時，由于電阻線的自熱引起的任何電阻變化， I2 R ，(歐姆定律)都會導(dǎo)致讀數(shù)錯誤。為避免這種情況，RTD 通常連接到惠斯通電橋網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有用于引線補(bǔ)償和/或連接到恒流源的附加連接線。

四、溫度傳感器工作原理--熱電偶

最常見的溫度傳感器之一包括熱電偶，因?yàn)樗鼈兙哂袑挏囟裙ぷ鞣秶?、可靠性、?zhǔn)確性、簡單性和靈敏度。主要是由于其體積小。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 ℃ 到遠(yuǎn)高于 2000 ℃ 。

熱電偶通常由焊接或壓接在一起的不同金屬(例如銅和康銅)的兩個接頭組成。其中一個稱為冷端，保持在特定溫度，而另一個是測量端，稱為熱端。

在受到溫度影響時，會在結(jié)上產(chǎn)生電壓降。

熱電偶是熱電傳感器，基本上由焊接或壓接在一起的不同金屬(例如銅和康銅)的兩個接頭組成。一個結(jié)保持在恒溫，稱為參考(冷)結(jié)，而另一個為測量(熱)結(jié)。當(dāng)兩個結(jié)處于不同溫度時，會在結(jié)上產(chǎn)生電壓，用于測量溫度傳感器，如下所示。

熱電偶結(jié)構(gòu)

熱電偶的工作原理非常簡單和基本。當(dāng)兩種不同金屬(例如銅和康銅)熔合在一起時，會產(chǎn)生“熱電”效應(yīng)，從而在它們之間產(chǎn)生只有幾毫伏 (mV) 的恒定電位差。兩個結(jié)之間的電壓差稱為“塞貝克效應(yīng)”，因?yàn)檠貙?dǎo)線產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生電動勢。那么熱電偶的輸出電壓是溫度變化的函數(shù)。

如果兩個結(jié)處于相同溫度，則兩個結(jié)之間的電勢差為零，換句話說，沒有電壓輸出，因?yàn)閂1 = V2。但是，當(dāng)結(jié)點(diǎn)連接在電路中并且都處于不同溫度時，將檢測到相對于兩個結(jié)點(diǎn)之間的溫差V1 – V2的電壓輸出。這種電壓差會隨著溫度的升高而增加，直到達(dá)到結(jié)的峰值電壓水平，這是由所使用的兩種不同金屬的特性決定的。

熱電偶放大

需要仔細(xì)選擇放大器的類型，無論是離散的還是運(yùn)算放大器的形式，因?yàn)樾枰己玫钠品€(wěn)定性來防止熱電偶頻繁地重新校準(zhǔn)。這使得斬波器和儀表類型的放大器更適合大多數(shù)溫度傳感應(yīng)用。

熱電偶放大圖

五、基于半導(dǎo)體的溫度傳感器

基于半導(dǎo)體的溫度傳感器與雙集成電路 (IC) 一起工作。它們包含兩個具有溫度敏感電壓和電流特性的類似二極管，以有效測量溫度變化。

但是，它們提供線性輸出，但在 1 °C 至 5 °C 時精度較低。它們還在最窄的溫度范圍(-70 °C 至 150 °C)內(nèi)表現(xiàn)出最慢的響應(yīng)速度(5 秒至 60 秒)。

五、基于半導(dǎo)體的溫度傳感器--0V型振弦式溫度傳感器

0V型振弦式溫度計用于測量混凝土結(jié)構(gòu)或水中的內(nèi)部溫度。它的分辨率優(yōu)于 0.1°C，工作原理類似于熱電偶溫度傳感器。它還具有 -20 o至 80 o C的高溫范圍。

五、基于半導(dǎo)體的溫度傳感器--ETT-10TH 型電阻熱敏電阻探頭

ETT-10TH 型電阻溫度探頭是一種低質(zhì)量防水溫度探頭，用于測量 –20 至 80°C 之間的溫度。由于其低熱質(zhì)量，它具有快速響應(yīng)時間。

ETT-10TH型電阻溫度探頭專為測量鋼材表面溫度和測量混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度而設(shè)計。ETT-10TH 可以嵌入混凝土中，用于測量混凝土內(nèi)部的整體溫度，甚至可以在水下工作。

ETT-10TH 電阻溫度探頭是完全可互換的。在指定的工作溫度范圍內(nèi)，溫度讀數(shù)的差異不會超過 1°C。這允許單個指示器與任何 ETT-10TH 探頭一起使用而無需重新校準(zhǔn)。

ETT-10TH 型電阻熱敏電阻探頭如何工作?

ETT-10TH 溫度探頭由一個電阻-溫度曲線匹配的熱敏電阻環(huán)氧樹脂封裝在銅管中，以實(shí)現(xiàn)更快的熱響應(yīng)和環(huán)境保護(hù)。管子的尖端是扁平的，因此它可以固定在任何相當(dāng)平坦的金屬或混凝土表面上，以測量表面溫度。

借助容易獲得的兩部分環(huán)氧樹脂粘合劑，探頭的扁平尖端可以固定在大多數(shù)表面上。如果需要，探頭也可以用螺栓固定在結(jié)構(gòu)表面上。

五、基于半導(dǎo)體的溫度傳感器--ETT-10PT 型 RTD 溫度探頭

ETT-10PT RTD(電阻溫度檢測器)溫度探頭由具有 DIN IEC 751(原 DIN 43760)歐洲曲線校準(zhǔn)的陶瓷電阻元件 (Pt. 100) 組成。電阻元件安裝在封閉端堅(jiān)固的不銹鋼管中，可保護(hù)元件免受濕氣影響。

ETT-10PT 型 RTD 溫度探頭如何工作?

電阻溫度探頭的工作原理是傳感器電阻是感測溫度的函數(shù)。鉑 RTD 具有非常好的準(zhǔn)確度、線性度、穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

ETT-10PT 型電阻溫度探頭配有三芯屏蔽電纜。紅線提供一個連接，兩根黑線一起提供另一個。因此，實(shí)現(xiàn)了對引線電阻和引線電阻溫度變化的補(bǔ)償。使用數(shù)字 RTD 溫度指示器可以輕松讀取電阻溫度傳感器讀數(shù)。

原文標(biāo)題：什么是溫度傳感器?溫度傳感器原理是什么?一文帶你全部搞懂

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審核編輯：湯梓紅