溫度傳感器的常見分類 溫度傳感器應用大全

溫度傳感器在我們的日常生活中扮演著十分重要的角色，同時它也是使用范圍最廣，數量最多的傳感器。關于它你了解多少呢？本文主要介紹的就是各種溫度傳感器的分類及其原理，溫度傳感器的應用電路。

溫度傳感器

從17世紀溫度傳感器首次應用以來，依次誕生了接觸式溫度傳感器，非接觸式溫度傳感器，集成溫度傳感器，近年來在智能溫度傳感器在半導體技術，材料技術等新技術的支持下，溫度傳感器發展迅速，由于智能溫度傳感器的軟件和硬件的合理配合既可以大大增強傳感器的功能、提高傳感器的精度，又可以使溫度傳感器的結構更為簡單和緊湊，使用也更加方便。

溫度傳感器的常見分類

1、熱電偶傳感器：

兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。熱電勢EAB(T，T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的，接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質及在接觸點的溫度有關，當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個回路，其相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端，另一端溫度為TO，稱為自由端，則回路中就有電流產生，即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢，這種由于溫度不同而產生電動勢的現象稱為塞貝克效應。

2、熱敏電阻傳感器：

熱敏電阻是敏感元件的一類，熱敏電阻的電阻值會隨著溫度的變化而改變，與一般的固定電阻不同，屬于可變電阻的一類，廣泛應用于各種電子元器件中，不同于電阻溫度計使用純金屬，在熱敏電阻器中使用的材料通常是陶瓷或聚合物，正溫度系數熱敏電阻器在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數熱敏電阻器在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件，熱敏電阻通常在有限的溫度范圍內實現較高的精度，通常是-90℃?130℃。

3、模擬溫度傳感器：

HTG3515CH是一款電壓輸出型溫度傳感器，輸出電流1～3.6V，精度為±3％RH，0～100％RH相對濕度范圍，工作溫度范圍-40～110℃， 5s響應時間， 0±1％RH遲滯，是一個帶溫濕度一體輸出接口的模塊，專門為 OEM 客戶設計應用在需要一個可靠；精密測量的地方，帶有微型控制芯片；濕度為線性電壓輸出；帶 10Kohm NTC 溫度輸出，HTG3515CH可用于大批量生產和要求測量精度較高的地方。

4、數字式溫度傳感器：

它采用硅工藝生產的數字式溫度傳感器，其采用PTAT結構，這種半導體結構具有精確的，與溫度相關的良好輸出特性，PTAT的輸出通過占空比比較器調制成數字信號，占空比與溫度的關系如下式：DC=0.32+0.0047*t，t為攝氏度。輸出數字信號故與微處理器MCU兼容，通過處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號的占空比，即可得到溫度。該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優于0.005K。測量溫度范圍-45到130℃，故廣泛被用于高精度場合。

溫度傳感器應用大全

溫度測量應用非常廣泛，不僅生產工藝需要溫度控制，有些電子產品還需對它們自身的溫度進行測量，如計算機要監控CPU的溫度，馬達控制器要知道功率驅動IC的溫度等等，下面介紹幾種常用的溫度傳感器。

熱敏電阻器

用來測量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負溫度系數(NTC)，也就是說溫度下降時它的電阻值會升高。在所有被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時電阻的變化)最高，但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。

一個典型的NTC熱敏電阻器性能參數

這些數據是對Vishay-Dale熱敏電阻進行量測得到的，但它也代表了NTC熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個比率形式給出(R/R25)，該比率表示當前溫度下的阻值與25℃時的阻值之比，通常同一系列的熱敏電阻器具有類似的特性和相同電阻/溫度曲線。以表1中的熱敏電阻系列為例，25℃時阻值為10KΩ的電阻，在0℃時電阻為28.1KΩ，60℃時電阻為4.086KΩ；與此類似，25℃時電阻為5KΩ的熱敏電阻在0℃時電阻則為 14.050KΩ。

熱敏電阻的溫度曲線

從上圖可以看到電阻/溫度曲線是非線性的，雖然這里的熱敏電阻數據以10℃為增量，但有些熱敏電阻可以以5℃甚至1℃為增量。如果想要知道兩點之間某一溫度下的阻值，可以用這個曲線來估計，也可以直接計算出電阻值，計算公式如下：

這里T指開氏絕對溫度，A、B、C、D是常數，根據熱敏電阻的特性而各有不同，這些參數由熱敏電阻的制造商提供。

熱敏電阻一般有一個誤差范圍，用來規定樣品之間的一致性。根據使用的材料不同，誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設計成應用時可以互換，用于不能進行現場調節的場合，例如一臺儀器，用戶或現場工程師只能更換熱敏電阻而無法進行校準，這種熱敏電阻比普通的精度要高很多，也要貴得多。

下圖是利用熱敏電阻測量溫度的典型電路。電阻R1將熱敏電阻的電壓拉升到參考電壓，一般它與ADC的參考電壓一致，因此如果ADC的參考電壓是5V，Vref也將是5V。熱敏電阻和電阻串聯產生分壓，其阻值變化使得節點處的電壓也產生變化，該電路的精度取決于熱敏電阻和電阻的誤差以及參考電壓的精度。

自熱問題

由于熱敏電阻是一個電阻，電流流過它時會產生一定的熱量，因此電路設計人員應確保拉升電阻足夠大，以防止熱敏電阻自熱過度，否則系統測量的是熱敏電阻發出的熱，而不是周圍環境的溫度。

熱敏電阻消耗的能量對溫度的影響用耗散常數來表示，它指將熱敏電阻溫度提高比環境溫度高1℃所需要的毫瓦數。耗散常數因熱敏電阻的封裝、管腳規格、包封材料及其它因素不同而不一樣。

系統所允許的自熱量及限流電阻大小由測量精度決定，測量精度為±5℃的測量系統比精度為±1℃測量系統可承受的熱敏電阻自熱要大。

應注意拉升電阻的阻值必須進行計算，以限定整個測量溫度范圍內的自熱功耗。給定出電阻值以后，由于熱敏電阻阻值變化，耗散功率在不同溫度下也有所不同。

有時需要對熱敏電阻的輸入進行標定以便得到合適的溫度分辨率，圖3是一個將10～40℃溫度范圍擴展到ADC整個0～5V輸入區間的電路。

運算放大器輸出公式如下：

一旦熱敏電阻的輸入標定完成以后，就可以用圖表表示出實際電阻與溫度的對應情況。由于熱敏電阻是非線性的，所以需要用圖表表示，系統要知道對應每一個溫度ADC的值是多少，表的精度具體是以1℃為增量還是以5℃為增量要根據具體應用來定。

累積誤差

用熱敏電阻測量溫度時，在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些場合需要精度為1%的電阻，而有些可能需要精度為0.1%的電阻。在任何情況下都應用一張表格算出所有元件的累積誤差對測量精度的影響，這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻本身。

如果要求精度高而又想少花一點錢，則需要在系統構建好后對它進行校準，由于線路板及熱敏電阻必須在現場更換，所以一般情況下不建議這樣做。在設備不能作現場更換或工程師有其它方法監控溫度的情況下，也可以讓軟件建一張溫度對應ADC變化的表格，這時需要用其它工具測量實際溫度值，軟件才能創建相對應的表格。對于有些必須要現場更換熱敏電阻的系統，可以將要更換的元件(傳感器或整個模擬前端)在出廠前就校準好，并把校準結果保存在磁盤或其它存儲介質上，當然，元件更換后軟件必須要能夠知道使用校準后的數據。

總的來說，熱敏電阻是一種低成本溫度測量方法，而且使用也很簡單，下面我們介紹電阻溫度探測器和熱電偶溫度傳感器。

電阻溫度探測器

電阻溫度探測器(RTD)實際上是一根特殊的導線，它的電阻隨溫度變化而變化，通常RTD材料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件可以是一根導線，也可以是一層薄膜，采用電鍍或濺射的方法涂敷在陶瓷類材料基底上。

RTD的電阻值以0℃阻值作為標稱值。0℃ 100Ω鉑RTD電阻在1℃時它的阻值通常為100.39Ω，50℃時為119.4Ω，圖4是RTD電阻/溫度曲線與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比較。 RTD的誤差要比熱敏電阻小，對于鉑來說，誤差一般在0.01%，鎳一般為0.5%。除誤差和電阻較小以外，RTD與熱敏電阻的接口電路基本相同。

熱電偶

熱電偶由兩種不同金屬結合而成，它受熱時會產生微小的電壓，電壓大小取決于組成熱電偶的兩種金屬材料，鐵-康銅(J型)、銅-康銅(T型)和鉻-鋁(K型)熱電偶是最常用的三種。

熱電偶產生的電壓很小，通常只有幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時電壓變化只有大約40μV，因此測量系統要能測出4μV的電壓變化測量精度才可以達到0.1℃。

由于兩種不同類型的金屬結合在一起會產生電位差，所以熱電偶與測量系統的連接也會產生電壓。一般把連接點放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個節點處以同一溫度下，從而降低誤差。有時候也會測量隔熱塊的溫度，以補償溫度的影響

測量熱電偶電壓要求的增益一般為100到300，而熱電偶擷取的噪聲也會放大同樣的倍數。通常采用測量放大器來放大信號，因為它可以除去熱電偶連線里的共模噪聲。市場上還可以買到熱電偶信號調節器，如模擬器件公司的AD594/595，可用來簡化硬件接口。

固態熱傳感器

最簡單的半導體溫度傳感器就是一個PN結，例如二極管或晶體管基極-發射極之間的PN結。如果一個恒定電流流過正向偏置的硅 PN結，正向壓降在溫度每變化1℃時會降低1.8mV。很多IC利用半導體的這一特性來測量溫度，包括美信的MAX1617、國半的LM335和LM74 等等。半導體傳感器的接口形式多樣，從電壓輸出到串行SPI/微線接口都可以。

溫度傳感器種類很多，通過正確地選擇軟件和硬件，一定可以找到適合自己應用的傳感器。

溫度傳感器在生活的應用

1、溫度傳感器感測應用

溫度傳感器的熱轉換方式經常被用來測量物理量(如流量、輻 射、氣體壓力、氣體種類、濕度、熱化學反應等)，這些傳感器的測量值都是以熱 形式為媒介并以電信號的方式輸出；

2、溫度傳感器生物醫學應用

生物醫學的應用必須使用特殊的溫度傳感器，其中最重要 的特性是要求低功耗、長期穩定性好、可靠性高以及在32~44℃之間，精確度小 于0.1℃；

3、溫度傳感器太空應用

熱敏電阻以及硅PN結已經使用于太空溫度測量，利用分立的模擬和數字接口電路從感測元件讀取溫度信息對于低成本、低質量的使用情況 越來越不適用，尤其在微米/納米衛星中更難滿足需要，具有數字輸出功能的智能溫度傳感器可應用于未來的衛星設計中，并能傳送與微處理器兼容的數字信息；

4、溫度傳感器工業應用

集成溫度傳感器在自動化應用和微生物體熱檢測應用已有報道，盡管它們的特性和需求根據每個特殊的應用而變化非常大，對于低成本、長期穩定性和可靠性、強大的數字接口以及通信系統等這些特殊的應用需求，目前的智 能溫度傳感器都可滿足；

5、溫度傳感器消費產品應用

低成本集成溫度傳感器與變送器已經出現，而且被應用于 消費產品中，如洗衣機、冰箱、空調等，低成本、無需外部部件、制造時簡單的片上校正等是消費產品應用的特殊需求，并且在一20一100℃之間測量精度要能達 到0.5℃；

6、溫度傳感器在醫療行業中的應用

傳感器在醫療電子領域的應用也是屢見不鮮的，如非接觸式溫度計可以測量從一個遙遠的紅外輻射熱源排放的熱，用于血液分析儀的熱敏電阻元件溫度傳感器，用于監測廂室、擴散燈和油冷式馬達的溫度，以免過熱，如有過熱現象，立即停機使其冷卻等，隨著科技的進步，傳感器制造商可通過四種方法幫助設計人員減小醫療設備尺寸，包括提供靈活的封裝選項、減小傳感器集成電路尺寸，集成多種傳感器功能以及裝置智能化。

7、溫度傳感器在食品行業中應用

溫度傳感器在食品加工行業也發揮了至關重要的作用，而隨著科技的發展，智能溫度傳感器的應用而生，也為食品加工行業的生產效率打入了強心劑。

溫度傳感器的主要用途

1、溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農業生產過程中一個很重要而普遍的測量參數，溫度的測量及控制對保證產品質量、提高生產效率、節約能源、生產安全、促進國民經濟的發展起到非常重要的作用，由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數量在各種傳感器中居首位，約占50%；

2、溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的，不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當多，溫度傳感器隨溫度而引起物理參數變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動勢、磁性能、頻率、光學特性及熱噪聲等等，隨著生產的發展，新型溫度傳感器還會不斷涌現；

3、由于工農業生產中溫度測量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內使用；

4、溫度傳感器與被測介質的接觸方式分為兩大類：接觸式和非接觸式，接觸式溫度傳感器需要與被測介質保持熱接觸，使兩者進行充分的熱交換而達到同一溫度，這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、PN結溫度傳感器等，非接觸式溫度傳感器無需與被測介質接觸，而是通過被測介質的熱輻射或對流傳到溫度傳感器，以達到測溫的目的，這一類傳感器主要有紅外測溫傳感器，這種測溫方法的主要特點是可以測量運動狀態物質的溫度（如慢速行使的火車的軸承溫度，旋轉著的水泥窯的溫度）及熱容量小的物體（如集成電路中的溫度分布）。

結語

現在，各種集成的溫度傳感器的功能越來越專業化，因此我們對于溫度傳感器的認識也需要更新換代了。隨著工業生產效率的不斷提高，自動化水平與范圍的不斷擴大，對溫度傳感器的要求也越來越高，智能溫度傳感器雖然能夠做到高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性，但是仍有很多技術限制有待解決，比如所開發虛擬傳感器和網絡傳感器、單片測溫系統等，因此，預計在不久的將來，隨著智能溫度傳感器的普及、成本的降低和技術瓶頸的突破，其將會取代傳統的傳感器的地位，但是如今距離那一步仍有很長的一段路要走。

關于溫度傳感器各種分類及其原理的介紹就到這里了，希望本文能對你有所幫助。