温度传感器原理及应用温度传感器的类型

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在我们的日常生活中，每个人都应该经常看到温度计，热水器，微波炉，冰箱等。所有这些都将应用于一个重要的器件——温度传感器。本文将介绍温度传感器及其原理和类型。

什么是温度传感器？

温度传感器是一种用于测量物体冷热程度的装置，它通过可读形式的电信号提供温度测量。常见的有热电偶和电阻温度检测器。

温度传感器类型

在实际应用中，可以使用许多温度传感器。根据实际应用的不同特征，温度传感器由两种基本物理类型组成:

接触式温度传感器类型——这些类型的温度传感器需要与被感测对象物理接触，并使用传导来监测温度变化。它们可用于在很宽的温度范围内检测固体、液体或气体。非接触式温度传感器类型——这些类型的温度传感器使用对流和辐射来监测温度变化。它们可用于检测液体和气体，这些液体和气体随着热量的升高和冷在对流中沉降到底部而发射辐射能，或者检测以红外辐射（太阳）形式从物体传输的辐射能。

接触式和非接触式温度传感器进一步分为以下温度传感器，接下来将解释这些温度传感器的原理。

温度传感器原理

一、温度传感器-恒温器的工作原理

恒温器是一种接触式温度传感器，由两种不同金属（如铝、铜、镍或钨）制成的双金属片组成。

两种金属之间线性膨胀系数的差异导致它们在受热时产生机械弯曲运动。

恒温器实物图恒温器物理图

一、温度传感器-双金属温控器的工作原理

恒温器由两种不同热度的金属背对背粘在一起组成。天气寒冷时，触点闭合，电流通过恒温器。当它变热时，一种金属比另一种金属膨胀得更多，粘合的双金属片向上（或向下）弯曲，打开触点并阻止电流流动。

双金属片主要有两种类型，主要基于它们在温度变化时的运动。有在设定温度点对电触点产生瞬时“开/关”或“关/开”动作的“快速动作”类型，以及随着温度逐渐改变其位置的较慢“蠕动”类型。

快速恒温器通常用于我们的家庭中，以控制烤箱、熨斗和浸没式热水箱的温度设定点，它们也可以在墙上找到，以控制家庭供暖系统。

履带式通常由双金属线圈或螺旋组成，随着温度的变化慢慢展开或卷绕。一般来说，爬行双金属片对温度变化比标准的卡扣式/分离式更敏感，因为金属片更长更细，非常适合温度计和表盘。

二、温度传感器-热敏电阻的工作原理

热敏电阻通常由陶瓷材料制成，如镀在玻璃中的镍、锰或钴的氧化物，这使它们很容易损坏。与速动型相比，它们的主要优势在于对任何温度变化的响应速度、准确性和可重复性。

大多数热敏电阻具有负温度系数（NTC），这意味着它们的电阻随着温度的升高而降低。然而，有些热敏电阻具有正温度系数（PTC），其电阻随着温度的升高而增大。

热敏电阻的额定值取决于其在室温（通常为25摄氏度）下的电阻、时间常数（对温度变化做出反应的时间）以及相对于流经它们的电流的额定功率。像电阻器一样，热敏电阻在室温下的电阻值从10兆欧姆到几欧姆不等，但出于传感目的，通常使用千欧姆的类型。

温度传感器示例 No1

以下热敏电阻的电阻在25℃时为10KΩ，在100℃时为100ω。当与一个1kω电阻串联时，计算热敏电阻上的压降，因此可以在12v电源上计算两个温度下的输出电压（Vout）。

25摄氏度

100摄氏度

通过将R2的固定电阻值（在我们的示例中为1kω）更改为电位计或预设值，可以在预定的温度设置点获得电压输出，例如60℃时的5v输出，并且通过更改电位计可以在更宽的温度范围内获得特定的输出电压水平。

但需要注意的是，热敏电阻是非线性器件，不同热敏电阻在室温下的标准电阻值是不同的，主要是因为它们是由半导体材料制成的。热敏电阻随温度呈指数变化，因此它有一个β温度常数（β），可用于计算任何给定温度点的电阻。

然而，当与串联电阻器一起使用时，例如在分压器网络或惠斯通电桥型布置中，响应于施加到分压器/电桥网络的电压而获得的电流与温度线性相关。这样，电阻上的输出电压与温度成线性关系。

三、温度传感器的工作原理——电阻温度探测器（RTD）

RTD是一种精确的温度传感器，由高纯度导电金属（如铂、铜或镍）缠绕成线圈制成。RTD的电阻变化类似于热敏电阻的电阻变化。也可以提供薄膜RTD。这些设备在白色陶瓷基板上沉积了一层薄薄的铂膏。

电阻式温度检测器具有正温度系数（PTC），但与热敏电阻不同的是，其输出非常线性，可以产生非常精确的温度测量值。

然而，它们的热灵敏度非常差，即温度变化只会产生非常小的输出变化，例如1ω/o°c。

比较常见的RTD是由铂制成的，称为铂电阻温度计或PRT，最常见的是Pt100传感器，其标准电阻值在0℃时为100ω。缺点是铂很贵，这种设备的主要缺点之一是成本高。

像热敏电阻一样，RTD是一种无源电阻器件。通过使恒定电流流过温度传感器，输出电压可以随温度线性增加。典型RTD的基极电阻在0℃时约为100ω，在100℃时增加到约140ω，其工作温度范围为-200至+600℃。

因为RTD是一个电阻设备，我们需要让电流通过它们并监控产生的电压。然而，当电流流过电阻丝时，电阻丝的自热引起的任何电阻变化I2 R（欧姆定律）都会导致读数误差。为了避免这种情况，RTD通常连接到惠斯通电桥网络，该网络具有额外的连接线用于导线补偿和/或连接到恒流源。

四、温度传感器-热电偶的工作原理

最常见的温度传感器之一包括热电偶，因为它们具有宽温度工作范围、可靠性、准确性、简单性和灵敏度。主要是因为它的体积小。热电偶还具有所有温度传感器中最宽的温度范围，从低于-200℃到远高于2000℃。

热电偶通常由两个不同金属（如铜和康铜）焊接或卷曲在一起的接头组成。其中一个称为冷端，保持在特定的温度下，另一个是测量端，称为热端。

当受温度影响时，结处会出现压降。

热电偶是一种热电传感器，它基本上由两个不同金属（如铜和康铜）焊接或压制在一起的接头组成。一个结保持恒温，称为参考（冷）结，另一个是测量（热）结。当两个结处于不同温度时，结处会产生一个电压，用于测量温度传感器，如下所示。

热电偶结构

热电偶的工作原理非常简单和基本。当两种不同的金属（如铜和康铜）熔合在一起时，将发生“热电”效应，导致它们之间只有几毫伏（mV）的恒定电位差。两个结之间的电压差被称为“塞贝克效应”，因为沿着导体产生了温度梯度，从而产生了电动势。那么热电偶的输出电压是温度变化的函数。

如果两个结的温度相同，则两个结之间的电势差为零，换句话说，因为V1 = V2，所以没有电压输出。然而，当电路中的节点连接在一起并且都处于不同温度时，将检测到与两个节点之间的温度差V1-V2相关的电压输出。该电压差将随着温度的升高而增加，直到达到结的峰值电压水平，这是由所使用的两种不同金属的特性决定的。

热电偶放大

有必要仔细选择放大器的类型，无论是分立放大器还是运算放大器，因为需要良好的漂移稳定性来防止热电偶频繁重新校准。这使得斩波器和仪表型放大器更适合大多数温度检测应用。

5.基于半导体的温度传感器

基于半导体的温度传感器与双集成电路（IC）一起工作。它们包含两个类似的二极管，具有对温度敏感的电压和电流特性，可有效测量温度变化。

然而，它们提供线性输出，但在1°C至5°C时精度较低。在最窄的温度范围（-70°C至150°C）内，它们的响应速度也最慢（5秒至60秒）。

动词（verb的缩写）基于半导体- 0V振弦式温度传感器的温度传感器

0V振弦式温度计用于测量混凝土结构或水的内部温度。其分辨率优于0.1°C，工作原理与热电偶温度传感器类似。它还具有-20℃到80℃的高温范围。

动词（verb的缩写）基于半导体ETT-10热敏电阻探头的温度传感器

ETT-10TH电阻温度探头是一种低质量防水温度探头，用于测量–20至80°C之间的温度..由于其低热质量，它具有快速的响应时间。

ETT-10电阻温度探头专门设计用于测量钢结构和混凝土结构的表面温度。ETT-10TH可以嵌入混凝土中以测量混凝土内部的整体温度，甚至可以在水下工作。

ETT-10电阻温度探头完全可以互换。在规定的工作温度范围内，温度读数的差异不会超过1°c .这使得单个指示器可以与任何ETT-10探头一起使用，而无需重新校准。

ETT-10热敏电阻探头是如何工作的？