温度传感器

介绍

温度是所有物理参数的最广泛感测的参数，因为它对分子水平的材料和过程的意义。温度是参考特定规模的特定热度或寒冷。温度也定义为系统或物体中的热能量。热能与分子能直接相关：当热能较高时，分子能量更大。

温度传感器监控材料或物体中发生的变化，因为它们的温度变化。温度传感器可以检测对应于温度变化的物理量的变化。物理量可以是电阻或电压的任何东西。电气到基于热能的传感器使用电流通过导体的加热效果。热到电能的传感器将需要温差以运行。

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温度传感器的类型

温度传感可以是两种类型：基于接触和非接触的基于。在基于接触的温度传感中，传感器将与所感测的物体进行物理接触。在基于非接触的温度传感中，传感器解释热源的辐射能量。辐射能量是电磁谱的红外部分发射的能量形式。可以使用非接触技术监测非反射固体和液体。

这两种类型的温度传感器可分为三大类:机电、电阻和电子。

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机电传感器

双金属恒温器或双金属条带

人体非常令人惊讶，因为根据天气状况，我们要么感到太酷或热。我们的身体具有自我调节机制，能够在37时调整和维持体温^0.C.在我们的家中，在我们的家中，我们需要维持室温恒温器使用。

恒温器是接触式机电传感器，用于测量家庭内部的温度。它被发明回来17^TH.世纪，现在我们有现代的恒温器小工具。如今，恒温器由热激活开关和温度传感器组成。开关将打开或关闭并导致电路以流动或中断。恒温器可以是电子或机械式。这两种类型的功能都不同，但它们测量房间的温度。

顾名思义，双金属恒温器由两个不同的金属组成，铆接在一起以形成复合条。两个金属条在热量和压力下粘合在一起。通过在两个金属上采用不同的膨胀率或线性扩张，可以将热能转换成机电运动。材料的线性扩张或膨胀系数是每度温度变化的长度的分数变化。加热时，条带将弯曲，因为一个金属具有更高的膨胀系数，另一个金属具有更高的膨胀系数。该弯曲可以通过任何位移传感器感测。

恒温器

工作的基本原则是热膨胀打开和关闭电路。它由两种不同的金属组成，如镍，铜，钨或铝。任何两种金属的组合都形成复合条。它们使用热压和压力粘合在一起。这就是所谓的双金属条带．两种金属的膨胀速率不同。因此，当加热作用于带钢时，它会经历机械弯曲运动。双金属带就像一座桥，帮助连接或断开住宅或工业内部的加热或冷却系统的电路。

当金属处于冷条件时，触点被关闭，这导致通过恒温器流动流动。在施加热量期间，双金属条热。这导致一个金属比另一个更热。更热的条带延伸，导致光束弯曲。这是转弯使电路破裂并关闭冷却或加热开关。打开电接触，停止电流。

在某个时候，条带开始冷却。当它开始冷却时，加热期间扩展的金属将收缩并试图回到原来的尺寸。当它恢复原来的尺寸时，电路将接触并立即开始冷却/加热过程。

1 - 外盘调节温度

2路连接表盘与温度传感器

3 -带1^英石金属（黄铜）

4 - 带2^nd金属（铁）

5 - 内电路

2.灯泡和毛细管恒温器：它们利用毛细管膨胀或收缩液体的作用来制造或打破电接触。

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电阻式传感器

热敏电阻

什么是热敏电阻？

热敏电阻是热敏电阻。在热敏电阻中，电阻随温度的变化而变化。它们是由两种或三种金属氧化物组合而成，其中一种是氧化锌。这种组合插入一个陶瓷底座，这是一个绝缘体。

热敏电阻以两种类型的基于温度系数：正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。

在正温度系数热敏电阻的情况下，电阻和温度彼此直接成比例即，随着温度升高，电阻增加。

当热敏电阻的温度系数为负时，电阻与温度成反比，即电阻随着温度的升高而减小。负温度系数热敏电阻提供更高的灵敏度，可在小配置快速热响应。NTC由陶瓷和聚合物制成。钴、镍、铁和氧化铜等材料被使用。

电阻温度器件(RTD)

与热敏电阻类似，电阻温度器件的电阻变化以测量和控制温度。电阻温度器件由传感元件，连接电线和测量仪器组成。连接线在传感元件和测量仪器之间使用，并且支撑件用于定位该过程中的元件。

传感元件是一个电阻随温度变化的电阻。传感元件由一个线圈组成，线圈上刻有导线。这是封装在陶瓷和密封陶瓷玻璃。导电薄膜也可用来代替线圈。

图像资源链接：archives.sensorsmag.com/articles/0101/24/main.shtml

传感元件应以速度快速达到处理温度的方式定位。对于高振动和冲击常见的应用，应充分固定绕线装置。为了测量从距离的电阻，可以使用传感元件和仪器之间的延伸线。

原则

它适用于当温度变化时，金属的阻力也会发生变化。电流的量通过RTD元件或电阻器。使用万用表测量RTD元件的电阻。所获得的电阻值与温度相关。因此，当名称暗示金属的温度增加时，金属的电阻增加。这导致电流的增加。

RTD具有正温度系数（PTC）。铂材料主要用于RTD结构。因此，铂电阻温度计（PRT）也称为，因为PT100是流行的温度传感器。这标准值为100欧姆0^0.C.由于以下原因使用铂金。

• 化学惰性
• 温度和电阻是线性的
• 有较大的温度系数吗
• 更稳定

RTD线配置

当RTD有更多的电线时，据说更准确。有两种线和三线配置系统。仅在需要近似温度值时使用双线配置。工业中最常用的配置是三线配置。通常，惠斯通桥电路用作铅补偿技术，如下所示。

从上面的图中，得出结论，线A和B应该具有相同的长度。电线A和B的阻抗在桥梁的相对腿上采用，它们彼此取消。由此，允许线C承载最小的电流。这是通过惠斯通桥的帮助来完成的。

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电子传感器

热电偶

当两个导体在电路的一端连接不同的金属，它们形成热电偶。它们不含电阻温度器件等感测元件，因此它们在所用材料方面不太有限。它们可以处理比电阻温度装置更高的温度。

热电偶的构建由导体和陶瓷粉末组成，用于绝缘。热电偶有两个连接点：热插拔和冷点。热结界点是测量结，冷结是参考交界处。测量结暴露于工艺温度，并且在参考温度下保持其他结。

当交叉点经受不同的温度时，与其温差成比例的电流将在线流动。

热电偶原理

它基于三个效果

1. 塞贝克效应：当不同温度的两种不同材料连接在一起并向任何一种金属提供热量时，将有来自热金属的电子流向冷金属。该电子移动将导致电路中的电流产生。金属之间的温度差异将引起它们之间的潜在差异。
2. Peltier效果：塞贝克效应的反向是珀耳帖效应。它指出，当在两个金属之间施加电位差时，它会在连接的金属之间产生温差。
3. 汤姆森的效果:每当两个不同的金属组合在一起时，将产生两个结。在这种情况下，由于两个金属之间的温度差，将在导体上产生电压。

硅传感器

半导体材料的电阻特性用于硅传感器。耐耐抗性，而不是仅仅是不同掺杂区域的结。在低温下，硅传感器提供正温度系数，即线性增加耐温性随温度的增加。

红外高温计(IR高温计)

当温度高于绝对零度时0.^0.K，所有物体都发出红外线。发出的IR能量与其温度之间存在直接相关性。红外传感器测量从物体发出的IR能量，并将读数转换为电压。红外线的波长范围为4至20微米。使用调节电路调节输出电压以提供温度读数。影响红外感测的准确性的因素是反射率，透射率和发射率。物体反映IR能量的衡量标准是其反射率。对象传输IR能量能力的衡量标准是其透射率。对象辐射IR能量能力的衡量标准是其发射率。如果其发射率为0.0，则一个物体被称为完美的反射器。 An object with an emissivity of 1.0 will emit or absorb 100% of the IR energy applied to it.

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额外的信息

热敏电阻

热敏电阻器是热敏电阻器，通常由金属氧化物混合而成。热敏电阻器的结构类似于碳成分电阻器。热敏电阻可以有许多物理形式，如棒、板、珠、微型珠，也可以封装在金属容器中。根据结构中使用的混合物类型，热敏电阻具有正温度系数和负温度系数。正温度系数热敏电阻不太常见，而且非常非线性。负温度系数热敏电阻是最常用的，它遵循对数定律，电阻变化不大。如果已知热敏电阻在温度θ时的电阻₂，然后在温度θ处的电阻₁可以使用以下等式计算：

R.₁= R.₂((B /θ₁） - （b /θ₂）））

在哪里

B是热敏电阻常数

θ₁和θ.₂是在开尔文的温度

R.₁和R₂是抵抗力。

负温度系数（NTC）热敏电阻是常用的热敏电阻，用于温度控制应用。其中一些应用是深冰箱恒温器，过程控制器，低温烤箱控制器和室温传感器。负温度系数热敏电阻的温度范围为-150^0.C - 200^0.C.一些负温度系数热敏电阻可以承受高达600的温度^0.C.热敏电阻的相关电路将是限制温度范围的关键因素。这是因为与电阻范围相比，温度范围非常少。

顾名思义，负温度系数的热敏电阻随着温度的升高会有负的电阻变化。典型的负温度系数热敏电阻特性如下所示。

曲线的形状是指数而不是线性的。在几乎所有的应用中，负温度系数热敏电阻具有相当大的优势，在双金属条带上。

采用负温度系数热敏电阻进行温度感测的电路如下所示。

它利用运算放大器，可以通过改变反馈比来调整灵敏度。

具有大于电阻器的温度系数的半导体材料，用于构造负温度系数热敏电阻。术语NTC热敏电阻用于具有大负温度系数的器件。术语NTC电阻用于具有小负温度系数的器件。

正温度系数热敏电阻器是近年来发展起来的一种新型热敏电阻器，用于温度传感保护电路中。与负温度系数热敏电阻不同，正温度系数热敏电阻的电流电压特性呈现方向变化。

下面示出了典型的电阻与正温度系数热敏电阻的温度或特征曲线的图表。

正温度系数热敏电阻的直接用途是在很少的应用中，因为不希望通过热敏电阻的控制电流。

热敏电阻的构造使其成为所有温度传感器中最敏感的。热敏电阻很便宜，因为它们不含铂。热敏电阻是供电设备，即它们需要外部电子输入来工作。由于热敏电阻是电阻器件，它们在被测量的热量之外还产生热量。根据结构的不同，热敏电阻可以是坚固的，也可以是脆弱的。珠型热敏电阻有很细的引线，必须防止振动和冲击。

热敏电阻的优点包括低成本，响应速度快，尺寸小，电阻大。

缺点是自加热，没有电阻标准，要求额外的电路来控制应用负载和低温暴露比热电偶。

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热电偶

热电偶是热传感器中最常用的传感元件。热电偶由两个不同的金属导体组成。热电偶原理是这两个金属总始终具有它们之间的接触电位，并且这种潜在的温度变化。为了测量接触电位，需要电路中的两个连接或结。这些交界处称为热插拔或测量结和冷结或参考交界处。热或测量结暴露于工艺温度，并且冷或参考结保持在已知的参考温度。当连接点处于不同的温度时，电流将在与温差成比例的电线中流动，并且可以检测电压。通常，电压将按几毫升伏特的顺序。如果两个连接处的温度相同，则输出电压为零。当结的温度增加时，输出电压增加，直到它达到峰值。 The characteristic curve of a thermocouple is shown below.

从上述特征曲线，显然热电偶仅在一定有限的温度范围内使用。这是因为曲线的非线性形状和在温度下发生的曲线的逆转，这更高的过渡点或转过点。

热电偶的工作基于三个效果：塞贝克效应，珀耳帖效果和汤姆森效应。

为了计算EMF，热电偶利用塞贝克效应。根据塞贝克效应，热电偶中的EMF由以下等式给出。

e = a +bθ+cθ₂

其中，B和C是热电偶中使用的金属类型的常数，θ是它们之间的温差。

如果冷条点保持在0^0.C，电动势是

E =αt.₂+βt.

其中α和β是该对金属的测量常数，并且T是温度差异。

当温度低于转变点时，α的值通常很小且被忽略。所以电动势几乎与温差成正比。

根据Peltier效应，当两种不同的金属连接形成两个接点时，由于两个接点之间的温差，电路中会产生电动势。

根据汤姆森效应，当两个不同的金属连接到形成两个结时，由于沿着导体的长度的温度梯度，电路中存在电位。

当电流流过导体时，其端部保持在不同温度的导体，以与温度梯度和电流的乘积成比例的速率释放一定量的热量。

下面解释热电偶的工作。

两个金属A和B连接在一起以形成两个结，P和Q。结P是热插拔或测量结，而结Q是冷结或参考交界处。P和Q处的温度分别为T1和T2。如果连接点的温度是相同的，则在结处产生相等且相对的EMF，并且净电流为零。

但是，如果连接点的温度是不同的，则在电路中产生EMF，其是结的温度差异的函数。

热电偶中使用的金属的一些常见组合是铜 - 常数，铁 - 常数和铂 - 铑。铜 - 常数型热电偶通常用于较低范围的温度。铂 - 铑型热电偶主要用于更高的温度范围。

通常，放大器电路用于放大热电偶的输出电压，因为它们非常小。当热电偶与敏感的毫升电流表一起使用时，不需要放大电路进行温度测量。

在所有传感器技术中，热电偶具有最广泛的温度范围。根据热电偶的类型，温度范围可以是-200^0.C至2315.^0.C.下面描述了一些最常见的热电偶类型。

1. 类型：它使用纯铂作为一种金属和90％铂的合金，10％铑作为其它金属。这种类型的热电偶推荐用于高温，温度范围为0^0.c到1400.^0.C，必须用带有陶瓷绝缘体的非金属管保护。
2. 类型R：它使用纯铂作为一种金属和87%铂合金，13%铑作为其他金属。它与S型类似，但R型用于工业用途，S型用于实验室用途。
3. J型:它由铁作为一种金属和铜 - 镍作为其他金属的合金组成。温度范围为0^0.c到800.^0.C.它们适用于真空或惰性气氛。在较高的温度下，建议使用重型压力线，因为铁迅速氧化在540以上^0.C和氧化环境将减少生命。
4. 凯西:类型它使用镍-铬和镍-铝合金。K型热电偶的温度范围为0^0.C - 1100.^0.由于铁不被用作金属之一，所以它们适合在540℃以上的连续氧化气氛中使用^0.C.当暴露于硫时，型型热电偶可能受到失败。在816的温度之间^0.C - 1038^0.C和在低氧浓度下，铬的优先氧化导致绿色腐蚀和大的负校准漂移。为防止这种情况，可以进行保护管的通风或密封。
5. e：这种类型使用镍 - 铬和铜 - 镍合金作为热电偶。建议使用这些类型以连续氧化大气。它们提供所有可用热电偶的最高热电产输出。温度范围为0^0.c到800.^0.C。
6. type t：它使用铜作为金属之一和铜 - 镍作为其他金属的合金。可用于真空，氧化，惰性气氛，也可以在分零温度下工作。温度范围为-200^0.c到400.^0.C.它耐腐蚀性气氛腐蚀。

另一种常用的类型是B型，类似于R型和S型，但输出较低;N型被用作K型的替代品，K型的寿命较短，稳定性也有问题。

由于使用不同的材料组合，热电偶在不同温度下产生高输出电压，并且输出电压曲线几乎是线性的。因此，热电偶易于与控制器接口。

热电偶有三种类型的接线点样式：接地，未接地和暴露的连接点。

在接地结合，为了保护热或测量结，将其焊接到保护金属护套的内部。这可能会影响热响应，但使其易于电磁干扰。

在未接地的交界处，导热材料用于从其保护金属护套电绝缘热绝缘。这与电磁干扰的连接分离，但增加了热滞后。

暴露的交界处有最快的响应时间。在该结型中，为了形成热插拔，感测尖端由焊接和焊接连接的两个不同的电线制成。

热电偶的优点是其体积小，温度快速响应，廉价，更宽的温度范围，耐用于振动和冲击。

缺点是在较高温度下的稳定性较小，要求额外保护免受腐蚀，需要额外的电路来控制应用载荷和使用特殊延长线的使用。

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电阻温度计

电阻温度计也称为电阻温度探测器或电阻温度装置（RTD）。抵抗温度计以前仅用为实验室器件。但施工的进步使它们用于许多应用中，仅考虑热电偶。这些用于通过将电阻温度计的电阻与温度相关来测量温度。

图片资源链接:npl.co.uk/publications/good-practice-online-modules/temperature/types-of-thermometer/electrical-thermometers-resistance-thermometers/

虽然几种材料如镍，铜可以用于施加电阻温度计，但铂是优选的，因为它是作为国际标准的参考材料的相当优势，用于-270^0.c到660.^0.C.铂还具有耐腐蚀的优点，具有几乎线性电阻 - 温度关系在宽范围的温度范围内，它可以以非常纯净的状态制备。铂金是一种非常稳定的材料，在电气和机械上都是非常稳定的材料。因此，由于材料的老化导致的电阻值差异可忽略不计。

最初，铂电阻温度计是一个庞大的设备，但是微型版本可用。即使它们很小，它们也结合了铂抗性原理的准确性，以铂金能力承受腐蚀性环境。

电阻温度计中的传感元件是由一段缠绕在陶瓷棒上的细铂丝制成的。导线的电阻随温度而变化，通过电流来测量。用合适的电桥来测量电压。当用延长线连接传感元件中的电阻时，需要采用2线或3线或4线排列。外接引线的电阻值也应考虑在内。这是通过将引线连接到惠斯通电桥来实现的。

用于电阻温度计的简单2线惠斯通桥电路如下所示。

引线r的电阻_一种和R_B.与传感器的电阻一起测量。

三线排列如下所示。

不建议采用两线排列，因为导线越长，引线电阻越大。采用三导线布置，假定所有引线电阻都是相同的，就可以很好地补偿引线电阻。为了达到更高的精度和引线补偿，优先采用四线排列。

对于使用电阻温度计的所有应用，桥中的电流必须低，使得铂金属丝的自加热可忽略不计。为了在低电流下操作测量桥而不会影响灵敏度，使用现代的高阻抗放大器。

电阻温度计用于各种消费应用，如恒温器，冰箱，烤箱，汽车，空调和即时热水器。

一些流行的行业应用是计算机，打印机，过程控制，电机温度，电源，HVAC仪器和电子组件。

电阻温度计也用于医疗应用，如保温箱，呼吸和一次性。

电阻温度计最常见的材料是铂，镍，铜和镍 - 铁合金。

不同材料的温度限制是

• 铂金 - 270.^0.c到660.^0.C
• 镍 - 100.^0.C - 320^0.C
• 铜 - 75.^0.c到150^0.C
• 镍 - 铁 - 0^0.C - 200^0.C

用于连接传感元件和测量仪的电线由镍，镍，镀银铜，镀锡铜和镀镍铜制成。这些电线用PVC，Teflon和玻璃纤维等材料绝缘。

传感元件和引线被插入封闭端钢管中，封闭端钢管用陶瓷粉末填充，其用作振动阻尼或传热材料。

由于这些是电阻器件，必须考虑器件的质量和自热。

电阻式温度计的优点是电阻线性度高、精度高、重复性好、输出电压比热电偶大、温度范围宽。

缺点较高的成本和更大的尺寸比热电偶，自加热和在高振动环境中更耐用。

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硅带隙温度传感器

硅带隙温度传感器是电子设备中使用的温度传感器的常用形式。硅带隙温度传感器的原理是硅二极管的正向电压的温度依赖性。正向电压可以是BJT的发射极限结。

V._是= V._G0.（1 - T / T._0.）+ V._BE0.（t / t_0.）+（nkt / q）ln（t_0./ t）+（kt / q）ln（i_C/ 一世_C0.）

在哪里

V._G0.绝对零是带隙电压

t是k的温度

T._0.参考温度

V._BE0.是t处的带隙电压_0.和现在的我_C0.

N是器件常数

k是boltzmann的常数

Q在电子上充电

一世_C是收集器电流

在两个不同的电流中比较两个具有相同温度的带隙电压_C1.， 一世_C2.消除上述等式中的大多数变量。这种关系可以制定为

δv_是=（kt / q）ln（i_C1./ 一世_C2.）

可以校准该电压以计算温度。

硅带隙温度传感器可在芯片上信号调理的IC版本。IC型硅带隙温度传感器具有内存，可以精确校准。

硅带隙温度传感器的应用是发动机冷却剂，空调，过热保护和电源。

硅带隙温度传感器的优点比电阻温度计更便宜，比热敏电阻更线性，比热电偶和电阻温度计和IC水平制造更高的输出。

硅带隙温度传感器的缺点比电阻温度计更小，温度范围有限，热响应较慢和较大的封装尺寸。

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