1.3 温度传感器

温度是所有物理参数中被最广泛感知的参数，因为它在分子层面对材料和过程具有重要意义。温度是相对于特定刻度的特定热度或冷度程度。温度也被定义为系统或物体中的热能含量。热能与分子能量直接相关：当热能更高时，分子能量更大。

温度传感器监测材料或物体在温度变化时发生的变化。温度传感器可以检测与温度变化相对应的物理量的变化。这种物理量可以是电阻或电压。基于电能到热能的传感器利用电流通过导体的热效应。基于热能到电能的传感器需要温度差才能工作。

温度传感器的类型

温度感知可以分为两种类型：接触式和非接触式。在接触式温度感知中，传感器与被感知的物体有物理接触。在非接触式温度感知中，传感器解释热源的辐射能量。辐射能量是电磁频谱红外部分发射的能量形式。非反射性固体和液体可以使用非接触技术进行监测。

这两种温度传感器可以分为三个家族：机电式、电阻式和电子式。

机电式传感器

双金属恒温器或双金属条

人体非常神奇，我们根据天气条件感到冷或热。我们的身体具有自我调节机制，能够调整并维持体温在37°C。基于同样的想法，在家中，当需要维持室内温度时，我们会使用恒温器。

恒温器是一种接触式机电传感器，用于测量室内的温度。它早在17世纪就被发明了，现在我们有了现代的恒温器设备。如今，恒温器由热激活开关和温度传感器组成。开关会打开或关闭，从而导致电路导通或中断。恒温器可以是电子式的或机械式的。这两种类型的功能不同，但它们都能测量房间的温度。

顾名思义，双金属恒温器由两种不同的金属通过铆钉连接在一起形成复合条。这两种金属条在热和压力下结合在一起。通过利用两种金属不同的膨胀率或线膨胀系数，可以将热能转换为机电运动。材料的线膨胀系数或膨胀系数是每摄氏度温度变化时长度的相对变化。当加热时，条会弯曲，因为一种金属的膨胀系数高于另一种。这种弯曲可以通过任何位移传感器来感知。

1. 双金属条

   

2. 双金属条弯曲

   

恒温器的工作原理

其基本工作原理是利用热膨胀来开关电路。它由两种不同的金属组成，如镍、铜、钨或铝。任意两种金属的组合形成复合条。它们通过热和压力结合在一起，这被称为双金属条。两种金属具有不同的膨胀率。因此，当条被加热时，它会发生机械弯曲运动。双金属条像一座桥一样工作，帮助连接或断开房屋或工业中加热或冷却系统的电路。

当金属处于冷态时，触点闭合，导致电流通过恒温器流动。在加热过程中，双金属条变热。这使得一种金属比另一种金属更热。较热的条膨胀更多，导致梁弯曲。这反过来又使电路断开，关闭冷却或加热开关。电触点打开，电流流动停止。

过了一会儿，条开始冷却。当它开始冷却时，加热时膨胀的金属会收缩，试图恢复到原来的大小。当它恢复到原来的大小时，电路将接触并立即开始冷却/加热过程。

1. 外圈用于调节温度
2. 电路用于连接旋钮与温度传感器
3. 第一种金属（黄铜）的条
4. 第二种金属（铁）的条
5. 内部电路

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器。在热敏电阻中，电阻随温度变化。它们由两种或三种金属氧化物组合而成，其中一种是氧化锌。这种组合被插入陶瓷基底中，陶瓷基底是绝缘体。

热敏电阻根据温度系数分为两种类型：正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。

对于正温度系数热敏电阻，电阻与温度成正比，即随着温度升高，电阻增加。

对于负温度系数热敏电阻，电阻与温度成反比，即随着温度升高，电阻降低。负温度系数热敏电阻具有更高的灵敏度，并且有小型配置以实现快速热响应。NTC由陶瓷和聚合物制成。材料包括钴、镍、铁和铜氧化物。

电阻温度检测器（RTD）

与热敏电阻类似，电阻温度检测器的电阻随温度变化以测量和控制温度。电阻温度检测器包括感测元件、连接导线和测量仪器。连接导线用于感测元件和测量仪器之间，支撑用于在过程中定位元件。

感测元件是一个电阻，其电阻随温度变化。感测元件由一个带有蚀刻导体的线圈组成。它被封装在陶瓷中，并用陶瓷玻璃密封。也可以使用导电膜代替线圈。

感测元件应被定位在能够快速达到过程温度的位置。对于高振动和冲击常见的应用，线绕装置应被充分固定。为了从远处测量电阻，可以在感测元件和仪器之间使用延伸导线。

工作原理

它基于当温度变化时，金属的电阻也会随之变化的原理。通过RTD元件或电阻器传递一定量的电流。使用万用表测量RTD元件的电阻。将得到的电阻值与温度相关联。因此，正如名称所暗示的，当金属的温度升高时，金属的电阻也会增加。这导致电流增加。

RTD具有正温度系数（PTC）。铂金材料大多用于RTD的构建。因此，铂金电阻温度计（PRT），也称为Pt100，是一种流行的温度传感器。它在0°C时的标准值为100欧姆。使用铂金的原因如下：

• 化学惰性
• 温度和电阻呈线性关系
• 具有较大的温度系数
• 更稳定

RTD的导线配置

RTD的导线越多，其精度被认为越高。存在双线和三线配置系统。双线配置仅在只需要近似温度值时使用。工业中最常用的配置是三线配置。通常，使用惠斯通电桥电路作为引线补偿技术，如下图所示。

从上图可以得出结论，导线A和B应具有相同的长度。导线A和B的阻抗作用于电桥的对角线，并相互抵消。因此，导线C被允许携带最小量的电流。这是通过惠斯通电桥实现的。

电子式传感器

热电偶

当两种不同金属的导体在一个电路的一端连接时，它们形成了一个热电偶。它们不像电阻温度设备那样包含感测元件，因此在使用的材料方面受到的限制较少。它们能够承受比电阻温度设备更高的温度。

热电偶的构建包括导体和用于绝缘的陶瓷粉末。热电偶有两个接点：热接点和冷接点。热接点是测量接点，冷接点是参考接点。测量接点暴露在过程温度下，而另一个接点保持在参考温度。

当接点处于不同温度时，与它们的温差成比例的电流将在导线中流动。

热电偶的工作原理

它基于三种效应：

• 塞贝克效应（Seebeck Effect）：当两种不同温度的材料连接在一起并对其中一种金属施加热量时，电子将从热金属流向冷金属。这种电子运动将在电路中产生电流。金属之间的温差将在它们之间感应出电势差。
• 珀尔帖效应（Peltier Effect）：塞贝克效应的逆效应是珀尔帖效应。它表明，当在两种金属之间施加电势差时，它会在连接的金属之间产生温差。
• 汤姆森效应（Thomson’s Effect）：每当两种不同的金属结合在一起时，就会产生两个接点。在这种情况下，由于两种金属之间的温差，将在导体上产生电压。

硅传感器

硅传感器利用半导体材料的电学电阻特性。电阻特性是在整体体积中而不是仅在不同掺杂区域的接点处取样的。在低温下，硅传感器提供正温度系数，即随着温度的升高电阻线性增加。

红外测温仪（IR Pyrometer）

当温度高于绝对零度，即0K时，所有物体都会发射红外能量。发射的红外能量与温度有直接的相关性。红外传感器测量物体发射的红外能量，并将其读数转换为电压。红外的波长范围为4到20微米。使用调理电路对输出电压进行调理，以提供温度读数。影响红外感测精度的因素是反射率、透射率和发射率。物体反射红外能量的能力称为反射率。物体传输红外能量的能力称为透射率。物体辐射红外能量的能力称为发射率。如果物体的发射率为0.0，则称为完美反射体。发射率为1.0的物体将发射或吸收施加于它的的100%的红外能量。

附加信息

热敏电阻

热敏电阻是热敏电阻器，通常使用金属氧化物的混合物形成。热敏电阻的构建类似于碳膜电阻器。热敏电阻可以有多种形式，如棒状、板状、珠状、微型珠状，也可以封装在金属容器中。根据构建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，且非常非线性。负温度系数热敏电阻是最常用的，并且遵循对数定律，电阻没有剧烈变化。如果在温度$\theta_2$时知道热敏电阻的电阻，则可以使用以下公式计算在温度$\theta_1$时的电阻：

$R_1 = R_2 \cdot e^{\left(\frac{B}{\theta_1} - \frac{B}{\theta_2}\right)}$

其中：

• $B$是热敏电阻常数
• $\theta_1$和$\theta_2$是开尔文温度
• $R_1$和$R_2$是电阻

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。一些应用包括深度冷冻恒温器、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°C到200°C。一些负温度系数热敏电阻可以承受高达600°C的温度。热敏电阻相关的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，温度范围非常小。

正如名称所示，负温度系数热敏电阻将对温度的增加产生负的电阻变化。典型的负温度系数热敏电阻特性如下图所示。

曲线的形状是指数型的，而不是线性的。在几乎所有应用中，负温度系数热敏电阻都比双金属条具有相当的优势。

使用负温度系数热敏电阻进行温度感测的电路如下图所示。

它利用了运算放大器，并且可以通过改变反馈比来调整灵敏度。

使用具有比电阻的温度系数更大的温度系数的半导体材料来构建负温度系数热敏电阻。术语NTC热敏电阻用于具有大的负温度系数的设备。术语NTC电阻器用于具有小的负温度系数的设备。

正温度系数热敏电阻是最近的发展，并且用于感测温度的保护电路。与负温度系数热敏电阻不同，正温度系数热敏电阻的电流-电压特性表现出方向的变化。

正温度系数热敏电阻的电阻与温度的关系图或特性曲线如下图所示。

正温度系数热敏电阻的直接使用在很少的应用中，因为让受控电流通过热敏电阻是不理想的。

热敏电阻的构建使其成为基于温度的传感器中最敏感的。热敏电阻价格低廉，因为它们不含有铂金。热敏电阻是需要供电的设备，即它们需要外部电输入才能工作。由于热敏电阻是电阻性设备，它们除了正在测量的热量外还会产生热量。根据构建方式，热敏电阻可以是坚固的或脆弱的。珠状热敏电阻具有非常细的引线，必须保护其免受振动和冲击。

热敏电阻的优点包括低成本、快速响应、小尺寸和高电阻。

缺点包括自发热、没有电阻标准、需要额外的电路来控制应用负载以及比热电偶更低的温度暴露。

热电偶

热电偶是热敏元件中使用最广泛的传感器。热电偶由两种不同金属的导体组成。热电偶的原理是，这两种金属之间总是存在接触电势，且该电势会随温度变化。为了测量接触电势，电路中需要两个连接点或接点。这两个接点被称为热接点（测量接点）和冷接点（参考接点）。热接点或测量接点暴露于工艺温度，而冷接点或参考接点则保持在已知的参考温度。当接点处于不同温度时，会在导线中产生与温差成正比的电流，并且可以检测到电压。通常，电压的量级仅为几毫伏。如果两个接点的温度相同，则输出电压为零。当接点的温度升高时，输出电压会增加，直到达到峰值。热电偶的特性曲线如下所示。

从上述特性曲线可以看出，热电偶仅在一定的有限温度范围内有用。这是因为曲线呈非线性形状，并且在高于转折点或转折点的温度处会发生曲线反转。

热电偶的工作基于三种效应：塞贝克效应（Seebeck effect）、珀尔帖效应（Peltier effect）和汤姆森效应（Thomson effect）。

为了计算电动势（EMF），热电偶利用塞贝克效应。根据塞贝克效应，热电偶中的电动势由以下方程给出：

$E = a + b\theta + c\theta^2$

其中，$a$、$b$ 和 $c$ 是热电偶中所用金属类型的常数，$\theta$ 是它们之间的温差。

如果冷接点保持在 $0^0 \text{C}$，则电动势为：

$E = \alpha T^2 + \beta T$

其中，$\alpha$ 和 $\beta$ 是该金属对的测量常数，$T$ 是温差。

当温度低于转折点时，$\alpha$ 的值通常很小，可以忽略不计。因此，电动势几乎与温差成正比。

根据珀尔帖效应，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，当两种不同的金属连接形成两个接点时，由于导体长度上的温度梯度，电路中存在电势。

当电流流过两端保持不同温度的导体时，会以与温度梯度和电流的乘积成正比的速率释放一定量的热量。

热电偶的工作原理如下。

两种金属 $A$ 和 $B$ 连接在一起形成两个接点 $p$ 和 $q$。接点 $p$ 是热接点或测量接点，而接点 $q$ 是冷接点或参考接点。$p$ 和 $q$ 的温度分别为 $T_1$ 和 $T_2$。如果两个接点的温度相同，则在接点处产生的电动势相等且相互抵消，净电流为零。

但如果接点的温度不同，则电路中会产生电动势，该电动势是接点温差的函数。

热电偶中常用的一些金属组合有铜 - 康铜（Copper – Constantan）、铁 - 康铜（Iron – Constantan）和铂 - 铑（Platinum – Rhodium）。铜 - 康铜型热电偶通常用于较低温度范围。铂 - 铑型热电偶主要用于较高温度范围。

通常，使用放大电路来放大热电偶的输出电压，因为它们非常小。当热电偶与灵敏的毫伏表一起用于温度测量时，无需放大电路。

在所有传感器技术中，热电偶具有最宽的温度范围。根据热电偶的类型，温度范围可以从 $-200^ 0 \text{C}$ 到 $2315^ 0 \text{C}$。以下描述了一些最常见的热电偶类型。

• S型：它使用纯铂作为一种金属，另一种金属是90%铂和10%铑的合金。这种类型的热电偶适用于高温，温度范围为 $0^ 0 \text{C}$ 到 $1400^ 0 \text{C}$，必须用带有陶瓷绝缘体的非金属管保护。
• R型：它使用纯铂作为一种金属，另一种金属是87%铂和13%铑的合金。它与S型相似，但R型用于工业用途，而S型用于实验室用途。
• J型：它由铁作为一种金属，另一种金属是铜 - 镍合金。温度范围为 $0^ 0 \text{C}$ 到 $800^ 0 \text{C}$。它们适用于真空或惰性气氛。在较高温度下，建议使用较粗的导线，因为铁在高于 $540^ 0 \text{C}$ 时会迅速氧化，氧化气氛会缩短其使用寿命。
• K型：它使用镍 - 铬和镍 - 铝合金。K型热电偶的温度范围为 $0^ 0 \text{C}$ 到 $1100^ 0 \text{C}$。由于不使用铁作为其中一种金属，它们适用于大多数高于 $540^ 0 \text{C}$ 的连续氧化气氛。当暴露于硫时，K型热电偶可能会失效。在 $816^ 0 \text{C}$ 到 $1038^ 0 \text{C}$ 的温度范围内且氧浓度较低时，铬的优先氧化会导致绿腐和较大的负校准漂移。为了防止这种情况，可以进行通风或密封保护管。
• E型：这种类型使用镍 - 铬和铜 - 镍合金作为热电偶。这些类型适用于连续氧化气氛。它们提供了所有可用热电偶中最高的热电输出。温度范围为 $0^ 0 \text{C}$ 到 $800^ 0 \text{C}$。
• T型：它使用铜作为其中一种金属，另一种金属是铜 - 镍合金。可在真空、氧化、惰性气氛中使用，也可在零下温度下工作。温度范围为 $-200^ 0 \text{C}$ 到 $400^ 0 \text{C}$。它在潮湿气氛中耐腐蚀。

其他常用的类型还有B型，它与R型和S型相似，但输出较低；N型作为K型的替代品，当K型存在使用寿命短和稳定性问题时使用。

由于使用了不同材料组合，热电偶在不同温度下产生较高的输出电压，且输出电压曲线近乎线性。因此，热电偶易于与控制器接口。

热电偶中有三种接点样式：接地接点、非接地接点和暴露接点。

在接地接点中，为了保护热接点或测量接点，将其焊接在保护金属护套的内侧。这可能会影响热响应，但使其容易受到电磁干扰。

在非接地接点中，使用热导材料将热接点从其保护金属护套中电绝缘。这将接点与电磁干扰隔离，但会增加热滞后。

暴露接点具有最快的响应时间。在这种接点类型中，为了形成热接点，通过焊接和焊接将两种不同的导线连接起来，形成感测尖端。

热电偶的优点是尺寸小、温度响应快、价格低廉、温度范围宽以及耐振动和冲击。

缺点是在较高温度下稳定性较差，需要额外防护以防止腐蚀，需要额外的电路来控制应用负载，以及需要使用特殊的延伸导线。

电阻温度计

电阻温度计也称为电阻温度检测器或电阻温度器件（RTD）。电阻温度计以前仅用作实验室设备。但由于制造技术的进步，它们已被用于许多曾经只有热电偶才被考虑的应用场合。它们通过将电阻温度计的电阻与温度相关联来测量温度。

尽管镍、铜等多种材料可用于电阻温度计的制造，但铂因其作为国际标准的参考材料具有显著优势而被优先选用，其使用范围为 $-270^ 0 \text{C}$ 到 $660^ 0 \text{C}$。铂还具有耐腐蚀、在较宽温度范围内几乎呈线性关系的电阻 - 温度特性以及能够以非常纯净的状态制备等优势。铂在电气和机械方面都非常稳定，因此由于材料老化导致的电阻值漂移可以忽略不计。

最初，铂电阻温度计是一种体积较大的设备，但如今已有微型版本可供使用。尽管它们体积较小，但结合了铂电阻原理的高精度以及铂在腐蚀性环境中耐受能力强的特点。

电阻温度计的感温元件由一根细铂丝绕在陶瓷棒上制成。铂丝的电阻随温度变化，通过通电测量其电阻值。电压则通过合适的电桥进行测量。当将感温元件中的电阻通过延伸导线连接时，需要采用两线制、三线制或四线制连接方式。外部引线的电阻值也必须考虑在内，这可以通过将引线连接到惠斯通电桥来实现。

下图展示了一个简单的两线制惠斯通电桥电路，用于电阻温度计。

传感器的电阻与引线 $R_a$ 和 $R_b$ 的电阻一起被测量。

三线制连接方式如下图所示。

不推荐使用两线制连接，因为导线越长，引线电阻越大。采用三线制连接可以在假设所有引线电阻相等的条件下，对引线电阻进行一定程度的补偿。为了实现更高的精度和引线电阻补偿，更推荐使用四线制连接。

对于所有使用电阻温度计的应用，电桥中的电流必须很小，以使铂丝的自热效应可以忽略不计。为了在低电流下运行测量电桥而不降低灵敏度，现代高阻抗放大器被广泛使用。

电阻温度计被广泛应用于各种消费类设备，如恒温器、冰箱、烤箱、汽车、空调和即热式热水器。

一些常见的工业应用包括计算机、打印机、过程控制、电机温度监测、电源、暖通空调（HVAC）仪器和电子组件。

电阻温度计还被用于医疗应用，如婴儿培养箱、呼吸设备和一次性医疗用品。

电阻温度计中最常用的材料是铂、镍、铜和镍 - 铁合金。

不同材料的温度范围如下：

• 铂：$-270^ 0 \text{C}$ 到 $660^ 0 \text{C}$
• 镍：$100^ 0 \text{C}$ 到 $320^ 0 \text{C}$
• 铜：$75^ 0 \text{C}$ 到 $150^ 0 \text{C}$
• 镍 - 铁：$0^ 0 \text{C}$ 到 $200^ 0 \text{C}$

用于连接感温元件和测量仪器的导线由镍、镍合金、镀银铜、镀锡铜和镀镍铜制成。这些导线使用聚氯乙烯（PVC）、特氟龙（Teflon）和玻璃纤维等材料进行绝缘。

感温元件和引线被插入一个封闭端的钢管中，钢管内填充陶瓷粉末，起到减震或传热材料的作用。

由于这些是电阻式器件，因此必须考虑器件的质量和自热效应。

电阻温度计的优点是电阻线性度好、精度高、重复性好、输出电压比热电偶更高以及温度范围宽。

缺点是成本比热电偶高、体积比热电偶大、存在自热效应以及在高振动环境下耐用性较差。

硅带隙温度传感器

硅带隙温度传感器是电子设备中常用的温度传感器。其原理是硅二极管正向电压的温度依赖性。正向电压可以是双极型晶体管（BJT）的发射极 - 基极结电压。

$V_{BE} = V_{G0} \left(1 - \frac{T}{T_0}\right) + V_{BE0} \left(\frac{T}{T_0}\right) + \left(\frac{n k T}{q}\right) \ln \left(\frac{T_0}{T}\right) + \left(\frac{k T}{q}\right) \ln \left(\frac{I_C}{I_{C0}}\right)$

其中：

• $V_{G0}$ 是绝对零度下的带隙电压
• $T$ 是温度（单位：开尔文）
• $T_0$ 是参考温度
• $V_{BE0}$ 是在 $T_0$ 和电流 $I_{C0}$ 下的带隙电压
• $n$ 是器件常数
• $k$ 是玻尔兹曼常数
• $q$ 是电子电荷
• $I_C$ 是集电极电流

通过在两个相同温度的结上比较两个不同电流 $I_{C1}$ 和 $I_{C2}$ 下的带隙电压，可以消除上述方程中的大部分变量。其关系可以表示为：

$\Delta V_{BE} = \left(\frac{k T}{q}\right) \ln \left(\frac{I_{C1}}{I_{C2}}\right)$

该电压可以通过校准来计算温度。

硅带隙温度传感器有集成芯片（IC）版本，并且带有片上信号调理功能。IC型硅带隙温度传感器具有存储功能，可以进行精确校准。

硅带隙温度传感器的应用包括发动机冷却液、空调、过热保护和电源。

硅带隙温度传感器的优点是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输出更高，并且可以采用集成电路（IC）级制造。

硅带隙温度传感器的缺点是线性度不如电阻温度计、温度范围有限、热响应速度较慢以及封装尺寸较大。