溫度傳感器

溫度傳感器是一種敏感元件，它根據(jù)被感測對象的溫度變化來改變其某些特性或參數(shù)。其作用是將被監(jiān)測對象的冷熱程度轉(zhuǎn)換成電信號輸出，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、高精度和寬范圍測量。

溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了傳統(tǒng)的分立溫度傳感器(含敏感元件)模擬集成溫度傳感器/控制器、智能溫度傳感器的三個階段。目前，世界上的新型溫度傳感器正在從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)變，從集成向智能轉(zhuǎn)變、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。

溫度傳感器主要由溫度傳感模塊和主處理模塊組成對于溫度傳感模塊，它主要由與絕對溫度變化成比例的溫度傳感器件組成。溫度傳感器的溫度感測模塊主要用于感測環(huán)境溫度，并將溫度信號轉(zhuǎn)換為用電壓或電流等信號來指示溫度。

溫度傳感器在溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展中起著重要的作用，是各種傳感器中發(fā)展最早應(yīng)用最廣泛的傳感器。目前溫度傳感器主要應(yīng)用在生活中、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境、在氣候和科學研究領(lǐng)域，傳感器的種類是最多的。

溫度傳感器是溫度測量儀器的核心部件。常見的溫度傳感器是熱電偶、熱電阻溫度傳感器和集成溫度傳感器。下面主要介紹這些典型溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和測溫原理。

熱電偶

熱電偶是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。熱電偶測溫精度和靈敏度高，穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好，動態(tài)響應(yīng)快，測溫范圍寬，信號傳輸方便。熱電偶通常由熱電極組成、絕緣子、保護管和接線盒由四部分組成。熱電極由兩種不同材料的導體焊接而成。焊接的一端是工作端(或熱端)與導線相連的一端是自由端(或冷端)這種導體叫做熱電極。熱電極是熱電偶的核心部件，通常由貴金屬制成。絕緣體用于防止兩個熱電極斷裂。保護管套在熱電極和絕緣體外面，其作用是將熱電極與被測介質(zhì)隔離開來，從而保護熱電極免受化學和機械損傷。接線盒用于連接熱電極和補償線必須防止灰塵水和氣體進入熱電極，否則不僅會影響熱電極的使用壽命，還會影響測量精度。接線盒的端子必須標有熱電極的正極和負極。

熱電偶由兩根不同的金屬絲一端相連組成(金屬A和金屬B)組成，如下圖所示是熱電偶傳感器的工作原理圖溫度測量的基本原理是當熱電偶一端受熱時，熱電偶回路中存在電位差，通過測得的電位差即可計算出溫度。

當兩端有溫度梯度時，回路中就會有電流，兩端之間就會產(chǎn)生電動勢熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種成分不同的同質(zhì)導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端 (熱端溫度)溫度較低的一端是自由端TC(冷端溫度)自由端通常處于恒溫狀態(tài)。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系制作熱電偶分度表，該分度表是在自由端溫度為0℃時得到的，不同的熱電偶有不同的分度表。

熱電阻

工業(yè)上使用的標準熱電阻有兩種類型通用組裝型和柔性安裝型鎧裝型。普通組裝是將鉑熱電阻的感溫元件用引線焊接，組裝在一端封閉的金屬或陶瓷保護套內(nèi)，然后安裝接線盒而成，如下圖所示（2）所示。柔性安裝鎧裝型是一種鉑熱電阻溫度傳感元件、引線、絕緣粉末裝配在不銹鋼管中，然后通過模具拉伸成固體整體，模具具有固體、抗振、可繞、線徑小、金屬熱電阻傳感器的感溫元件由純金屬制成，理想的材料是鉑、銅、鎳等，一般可根據(jù)感溫元件的材質(zhì)和適用溫度范圍分為鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱阻和低溫熱阻等。當大多數(shù)金屬的溫度發(fā)生變化時，它們自身的電阻值會按照一定的規(guī)律發(fā)生變化電阻溫度計采用熱電阻作為感溫元件，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值變化，再通過測量電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電壓信號。然后由顯示儀表指示或發(fā)送至其他控制電路。

熱敏電阻：熱敏電阻測溫的原理是利用半導體材料電阻率隨溫度變化的特性。熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)(PTC) 熱敏電阻、負溫度系數(shù)(NTC ) 熱敏電阻和臨界溫度電阻( CTR ) 這三個類別。PTC是指電阻率隨溫度升高而急劇增加的熱敏電阻。作為一種溫度測量工具，正溫度系數(shù)熱敏電阻有以下主要用途：冰箱壓縮機的啟動電路、保護和限流電路防止電機電流過大造成過熱，并作為恒溫開關(guān)安裝在烘干機上。NTC是一種熱敏電阻，其電阻率隨著溫度的升高而緩慢而均勻地降低。主要用于測量電子產(chǎn)品中微波的功率、對溫度進行監(jiān)測、補償以及控制。

集成溫度傳感器：所謂集成溫度傳感器是將包括溫度敏感元件的信號放大電路集成在一個非常小的半導體芯片上、溫度補償電路、集成傳感器及其信號處理電路的參考電源和其他單元。集成電路溫度傳感器是一個溫度敏感三極管，將用作溫度敏感器件(一般為差分對管)并且其外圍電路集成在同一芯片上這種傳感器線性度好精度高互換性好體積小使用方便其工作溫度范圍通常為-50攝氏度~150攝氏度。集成電路溫度傳感器的感溫元件采用差分對晶體管，產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓和電流，即通常所說的PTAT(Proportion   to   Absolute temperature  )

在確定了溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域后，還必須說明溫度傳感器的技術(shù)指標溫度傳感器的主要技術(shù)指標包括轉(zhuǎn)換時間、溫度分辨率、溫度范圍、功耗和相對誤差等。

轉(zhuǎn)換時間：指接通電源電壓后對應(yīng)于輸出溫度的精確編碼時間。轉(zhuǎn)換時間代表溫度傳感器的實時檢測性能；

工作溫度范圍：指溫度傳感器正常工作時的工作溫度范圍，而商用的工作溫度范圍通常位于-在40℃到125℃的范圍內(nèi)；

響應(yīng)時間：溫度傳感器的一個重要指標是響應(yīng)時間，特別是在測量溫度時幅度變化較大的工作環(huán)境中，以及對溫度變化敏感的應(yīng)用場合，響應(yīng)時間非常重要一般表示為時間常數(shù)T能否正確測量溫度、正確理解溫度傳感器的時間常數(shù)是及時反映被測溫度變化的關(guān)鍵

溫度分辨率：溫度傳感器對環(huán)境溫度變化的最小識別值反映了溫度傳感器的高精度和高靈敏度。溫度分辨率由數(shù)字編碼中的位數(shù)決定分辨率高時，功耗轉(zhuǎn)換時間等性能要求降低；

功耗：功耗是芯片的一項關(guān)鍵技術(shù)指標，代表電路正常工作條件下電壓和電流的乘積芯片內(nèi)部的熱量和散熱會大大影響溫度傳感器的功耗；

相對誤差：相對誤差是指溫度傳感器實際輸出的二進制代碼所對應(yīng)的溫度值與實際溫度值之間的差值，在衡量溫度傳感器的精度方面具有重要意義。

溫度傳感器可以通過許多方式分類，例如通過測量、材料和特性以及溫度測量原理。每個分類都有各種不同的溫度傳感器，如根據(jù)溫度測量原理的電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和PN結(jié)溫度傳感器分類如下。

材料材質(zhì)劃分

傳統(tǒng)溫度傳感器：傳統(tǒng)傳感器主要由硅等硬質(zhì)材料制成、二氧化硅、氧化鋁雖然應(yīng)用廣泛，但生物相容性差、剛性大、很難檢測不均勻的表面和其他缺陷；

柔性溫度傳感器：可穿戴柔性傳感器基于具有一定延展性的柔性材料，如紙、織物和聚氨酯（PU）等等，可以檢測非均勻表面的物理參數(shù)。因其柔韌、輕盈等優(yōu)點，常用于人、醫(yī)療保健、運動員和消防員的生理參數(shù)監(jiān)測等。

測量方式劃分

非接觸式溫度傳感器：這些傳感器大多用作商用溫度傳感器，它們通過紅外線測量溫度、超聲波光纖等技術(shù)通過測量物體表面或內(nèi)部的光熱輻射功率來檢測溫度；

接觸式溫度傳感器：接觸式溫度傳感器多基于物理變化，主要是測量與之保持接觸的物質(zhì)的溫度（假設(shè)它們之間存在熱平衡，則它們之間沒有熱流）

測溫原理劃分

電阻溫度傳感器：電阻式溫度傳感器通常使用溫敏金屬作為感溫材料，通過測量感溫材料的電阻變化可以獲得被測對象的相應(yīng)溫度。由于感溫材料通常為金屬，這類溫度傳感器的測量范圍較寬，并且感溫材料的電阻與溫度具有良好的線性關(guān)系，測量結(jié)果穩(wěn)定；

熱電偶溫度傳感器：熱電偶溫度傳感器通過熱電效應(yīng)實現(xiàn)溫度測量兩種不同的材料用作熱電極以形成導電路徑，其中一種是工作端當兩端存在溫差時，導電路徑中將產(chǎn)生電動勢測量的溫度值可以通過放大回路中的電信號并進行二次轉(zhuǎn)換分析來獲得；

PN結(jié)溫度傳感器：PN結(jié)型溫度傳感器與電阻型相比，利用半導體器件的一些性能參數(shù)對溫度的依賴性來實現(xiàn)溫度檢測、熱電偶溫度傳感器，PN結(jié)溫度傳感器尺寸更小，測量更精確，響應(yīng)更快、家電等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

信號輸出模式

模擬溫度傳感器：模擬溫度傳感器有多種輸出形式(絕對溫度、攝氏和華氏溫度)以及電壓偏移值。模擬溫度傳感器的輸出也可送至比較器產(chǎn)生過溫指示信號，或直接送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端顯示實時溫度數(shù)據(jù)。模擬溫度傳感器適用于低成本、小尺寸和低功耗應(yīng)用；

數(shù)字溫度傳感器的工作原理是將被測溫度信號由敏感元件接收的非電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其處理過程一般集成在單片ic器件本體中，使溫度傳感器具有很高的精度。

家用電器：隨著科技的發(fā)展，家用電器的智能化水平越來越高。其中，利用傳感器實現(xiàn)家電智能控制已成為家電廠商獲取市場份額的重要手段。在家用電器的智能控制過程中，溫度傳感器是一種應(yīng)用廣泛且非常重要的傳感器。加強家用電器中溫度傳感器工作原理的研究和應(yīng)用，不僅可以提高智能控制水平，還可以不斷提高家電制造企業(yè)的核心競爭力。家用電器中經(jīng)常使用的溫度傳感器是熱敏電阻溫度傳感器和熱電偶溫度傳感器。

溫度傳感器

汽車電子：集成溫度傳感器廣泛用于汽車內(nèi)不同溫度的檢測、溫度控制場合。汽車溫度傳感器主要用于檢測發(fā)動機溫度、吸入氣體溫度、冷卻水溫度、燃料溫度和催化溫度等。目前，主要的實用產(chǎn)品是熱敏電阻溫度傳感器、鐵氧體溫度傳感器(ON／OFF型)金屬或半導體薄膜空氣溫度傳感器。由于傳統(tǒng)的溫度傳感器難以滿足多功能的要求、集成化、隨著智能控制的要求，現(xiàn)代汽車正在向更高的精度發(fā)展、響應(yīng)時間更快的集成溫度傳感器。在汽車電子控制系統(tǒng)中，空氣溫度傳感器也是用于檢測溫度參數(shù)的溫度傳感器、排氣溫度傳感器、燃油箱溫度傳感器、變速器油溫傳感器、蒸發(fā)器溫度傳感器、車內(nèi)溫度傳感器、車外溫度傳感器、加熱器溫度傳感器等，分別用于相關(guān)控制系統(tǒng)的溫度校正控制或與溫度相關(guān)的自動控制。

航空領(lǐng)域：溫度傳感器是飛機環(huán)境控制系統(tǒng)中最重要的檢測和控制元件，其選擇是合理的、安裝正確、質(zhì)量穩(wěn)定性是環(huán)境控制系統(tǒng)的安全性、保證經(jīng)濟性和舒適性。隨著系統(tǒng)健康管理要求的提高和傳感器技術(shù)的發(fā)展，飛機環(huán)境控制系統(tǒng)的溫度傳感器和系統(tǒng)附件變得越來越重要、管道將逐漸融合，例如嵌入式光纖溫度傳感器、內(nèi)置鉑電阻模式或應(yīng)變溫度傳感器，結(jié)合其他傳感器，有助于下一代智能閥門、智能管道等智能配件的出現(xiàn)，真正實現(xiàn)了系統(tǒng)運行的自主化和最優(yōu)化。

生物醫(yī)學：通常使用特殊的溫度傳感器，并且所需的溫度傳感器具有低功耗、穩(wěn)定性好、高可靠性和高精度（精確度小于0.1℃）等優(yōu)點。例如，熱電偶傳感器具有很寬的溫度范圍、性能穩(wěn)定、準確可靠，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。在腫瘤治療中，已經(jīng)證明加熱可以增強放射性對腫瘤的殺傷能力。加熱到43℃可使放射性劑量減少1/3輻射的副作用減少。超聲加熱深部腫瘤時，腫瘤區(qū)域的溫度測量精度高利用熱電偶和恒溫冰槽技術(shù)，可將腫瘤加熱區(qū)域的溫度精確控制在43℃左右。

軍事防御：可以利用Wi-Fi溫度傳感器監(jiān)測戰(zhàn)場周圍的溫度變化，從而做出及時反應(yīng)。此外，自2001年以來，“反恐”各國對此一直比較重視，有效的防御系統(tǒng)可以很好地防止攻擊。在防御系統(tǒng)中，Wi-Fi溫度傳感器還可以發(fā)揮重要作用，例如監(jiān)測周圍環(huán)境并收集數(shù)據(jù)和信息，從而應(yīng)對緊急情況。

太空應(yīng)用：熱敏電阻和硅PN結(jié)溫度傳感器主要用于空間溫度測量。未來的衛(wèi)星設(shè)計將使用更多具有數(shù)字輸出功能的溫度傳感器，傳輸?shù)臄?shù)字信息應(yīng)與微處理器兼容。

工業(yè)應(yīng)用：熱電偶溫度傳感器通常廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，具有安裝簡單耐高溫等優(yōu)點。由于市場成本低、對穩(wěn)定性好可靠性高的通信系統(tǒng)的需求越來越大，對溫度傳感器的要求也越來越高。目前，智能溫度傳感器由于其優(yōu)越的性能也在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。