在我們的日常生活中，大家應(yīng)該都會(huì)經(jīng)常見到溫度計(jì)、熱水器、微波爐、冰箱等。這些都會(huì)應(yīng)用到一個(gè)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?cè)谑軣釙r(shí)產(chǎn)生機(jī)械彎曲運(yùn)動(dòng)。

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(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(dòng)。

有兩種主要類型的雙金屬條，主要基于它們?cè)谑艿綔囟茸兓瘯r(shí)的運(yùn)動(dòng)。有在設(shè)定溫度點(diǎn)對(duì)電觸點(diǎn)產(chǎn)生瞬時(shí)“開/關(guān)”或“關(guān)/開”類型動(dòng)作的“速動(dòng)”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(dòng)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(duì)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(jì)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?cè)诓Ａе械逆嚒㈠i或鈷的氧化物，這使得它們很容易損壞。與速動(dòng)類型相比，它們的主要優(yōu)勢(shì)在于它們對(duì)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?cè)谑覝叵碌碾娮柚?通常為 25 o C)、它們的時(shí)間常數(shù)(對(duì)溫度變化作出反應(yīng)的時(shí)間)以及它們相對(duì)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(shí)的電阻值為 10KΩ，在 100℃時(shí)的電阻值為 100Ω 。當(dāng)與 1kΩ 電阻器串聯(lián)時(shí)，計(jì)算熱敏電阻兩端的電壓降，從而計(jì)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(jì)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(shí)的 5v 輸出，并通過改變電位計(jì)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(jì)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(shí)，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(huì)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(jì)或PRT，其中最常見的是 Pt100 傳感器，其在 0 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻值為 100Ω。缺點(diǎn)是鉑價(jià)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(shí)的基極電阻約為 100Ω，在 100 ℃ 時(shí)增加到約 140 Ω，工作溫度范圍在 -200 至 +600 ℃ 之間。

因?yàn)?RTD 是一個(gè)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(shí)，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(huì)導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)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⒖煽啃浴?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(gè)接頭組成。其中一個(gè)稱為冷端，保持在特定溫度，而另一個(gè)是測量端，稱為熱端。

在受到溫度影響時(shí)，會(huì)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(gè)接頭組成。一個(gè)結(jié)保持在恒溫，稱為參考(冷)結(jié)，而另一個(gè)為測量(熱)結(jié)。當(dāng)兩個(gè)結(jié)處于不同溫度時(shí)，會(huì)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(shí)，會(huì)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(gè)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(dòng)勢(shì)。那么熱電偶的輸出電壓是溫度變化的函數(shù)。

如果兩個(gè)結(jié)處于相同溫度，則兩個(gè)結(jié)之間的電勢(shì)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(shí)，將檢測到相對(duì)于兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫差V1 – V2的電壓輸出。這種電壓差會(huì)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(gè)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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)。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(huì)超過 1°C。這允許單個(gè)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(gè)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(gè)連接，兩根黑線一起提供另一個(gè)。因此，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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