温度传感器原理 温度传感器分类及工作原理介绍

温度传感器定义

温度传感器是一种能够感知温度并将其转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪的核心部分，种类繁多。温度传感器测量环境温度非常精确，广泛应用于农业、工业、车间、仓库等领域。

温度传感器的发展历史

公元1600年，伽利略发明了气体温度计。一百年后，温度计和水银温度计发展起来了。随着现代工业技术的发展，线电阻、热电元件和双金属温度传感器相继问世。1950年后，半导体热敏电阻器相继被开发和制造出来。近年来，随着原材料和加工技术的快速发展，各种类型的温度传感器相继开发出来。

温度传感器的分类

按测量方法可分为接触式和非接触式。

1.接触类型

接触式温度传感器的检测部分与被测物体接触良好，也称为温度计。

温度计通过传导或对流达到热平衡，使温度计的指示值能直接代表被测物体的温度。

一般测量精度较高。在一定的温度测量范围内，温度计还可以测量物体内部的温度分布。但对于运动物体、小目标或热容量小的物体，会产生较大的测量误差。常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力温度计、电阻温度计、热敏电阻和热电偶。它们广泛应用于工业、农业、商业和其他部门。人们在日常生活中经常使用这些温度计。

2、非接触式

其敏感元件不与被测物体接触，也称为非接触式温度计。该仪器可用于测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化快(瞬态)的物体的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

最常用的非接触式温度计是基于黑体辐射的基本定律，称为辐射温度计。各种辐射温度测量方法只能测量相应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有黑体(吸收所有辐射但不反射光的物体)的实测温度才是真实温度。如果要测量物体的真实温度，必须校正材料表面的发射率。然而，材料的表面发射率不仅取决于温度和波长，还取决于表面状态、涂膜和微观结构，因此很难准确测量。

非接触式温度传感器的优点是测量上限不受感温元件的温度电阻限制，所以原则上对最大可测量温度没有限制。

根据传感器材料和电子元器件的特点，可分为热电阻和热电偶两种。

1.热阻

热敏电阻由半导体材料制成，大多具有负温度系数，即电阻随着温度的升高而降低。

温度变化会引起大的电阻变化，所以它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，这与生产工艺密切相关。

热敏电阻也有自己的测量技巧。热敏电阻的小尺寸是一个优点。可以快速稳定，不会造成热负荷。但是很弱，大电流会引起自发热。因为热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会因通电而在其上产生热量。功率等于电流和电阻的平方的乘积。因此，应使用小电流源。如果热敏电阻暴露在高温下，会造成永久性损坏。

2.热电偶

热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。它的主要优点是温度范围宽，适应各种大气环境，坚固耐用，价格低廉，不需要电源，最便宜。热电偶是最简单和最通用的温度传感器，但热电偶不适合高精度测量和应用。

根据温度传感器的输出信号方式，大致可以分为三类:数字温度传感器、逻辑输出温度传感器和模拟温度传感器。

1.数字温度传感器

采用硅技术生产的数字温度传感器，采用PTAT结构，与温度相关的输出特性准确、良好。

2.逻辑输出温度传感器

在许多应用中，我们不需要严格测量温度，只需要关心温度是否超过设定范围。一旦温度超过规定范围，我们将发出报警信号，启动或停止风扇、空调节器、加热器或其他控制设备。这时，我们可以选择逻辑输出温度传感器

3.模拟温度传感器

热电偶、热敏电阻和RTDS等模拟温度传感器在某些温度范围内线性度较差，需要冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。与集成模拟温度传感器相比，它具有灵敏度高、线性度好、响应速度快的优点，还将驱动电路、信号处理电路和必要的逻辑控制电路集成在单个集成电路上，具有体积小、使用方便的优点。常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型和AD590电流输出型。

温度传感器的工作原理

1.热电偶传感器的工作原理

当两个不同的导体和半导体A、B形成两端相连的回路时，只要两个节点的温度不同，一端的温度为T，称为工作端或热端，另一端的温度为to，称为自由端或冷端，那么回路中就会产生电流，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种因温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克效应有关的效应有两种:第一，当一个电流流过两个不同导体的接合处时，热量在这里被吸收或释放(取决于电流的方向)，这种效应称为珀耳帖效应；其次，当电流流过具有温度梯度的导体时，导体吸收或释放热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。

2.电阻传感器的工作原理

导体的电阻值随温度变化，通过测量其电阻值可以计算出被测物体的温度。基于这一原理的传感器是电阻式温度传感器，主要用于-200-500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热阻的主要制造材料，热阻的材料应具有以下特点:

(1)电阻的温度系数要大且稳定，电阻值与温度要有良好的线性关系。

(2)电阻率高，热容量小，反应速度快。

(3)材料重现性和工艺性好，价格低廉。

(4)在温度测量范围内稳定的化学和物理性质。

目前，工业上广泛使用的铂、铜已制成标准测温热电阻。

3.红外温度传感器

自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于其内部热运动，会向四周辐射电磁波，包括波长范围为0.75 ~ 100 μ m的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制成的。

4.数字温度传感器

采用硅技术生产的数字温度传感器，采用PTAT结构，与温度相关的输出特性准确、良好。PTAT的输出由占空比空比较器调制成数字信号，占空比空与温度的关系如下:DC = 0.32±0.0047 * t，t为摄氏度。输出数字信号与微处理器MCU兼容。通过处理器的高频采样，可以计算出输出电压方波信号与空的比值，从而得到温度。由于其特殊的技术，这种温度传感器的分辨率优于0.005K。

5.逻辑输出型温度传感器

设置温度范围，一旦温度超过规定范围，发出报警信号，启动或关闭风扇，空调节器、加热器或其他控制设备。此时，可以选择逻辑输出温度传感器。典型的例子有LM56，MAX6501-MAX6504，MAX6509/6510。

6.模拟温度传感器

常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型和AD590电流输出型。

AD590是美国ADI公司生产的电流输出温度传感器，电源电压范围3~30V，输出电流223μA(-50℃)~423μA( 150℃)，灵敏度1μA/℃。当采样电阻R串联在电路中时，R两端的电压可以作为输出电压。注意r的电阻值不能太大，以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达1km以上。作为高阻电流源，可以达到20ω，因此不需要考虑选择开关或CMOS多路复用器引入的附加电阻带来的误差。适用于多点温度测量和远程温度测量控制。

选择温度传感器的注意事项

1.被测物体的环境条件是否损坏温度测量元件。

2.被测物体的温度是否需要记录、报警和自动控制，是否需要远距离测量和传输。3800 100

3.当被测物体温度随时间变化时，测温元件的迟滞是否能满足测温要求？

4、温度测量范围的大小和精度要求。

5、测温元件尺寸合适。

6.如果价格有保证，使用方便吗？

如何避免错误

安装和使用温度传感器时，应避免以下误差，以确保最佳的测量效果。

1.安装不当导致的错误

如果热电偶的安装位置和插入深度不能反映炉膛的真实温度，换句话说，热电偶不应安装在太靠近门和受热的地方，插入深度至少应为保护管直径的8 ~ 10倍。

2.热阻误差

在高温下，如果保护管上有一层煤灰，灰尘附着在上面，热阻就会增加，阻碍热传导。此时，温度指示值低于测量温度的真实值。因此，热电偶保护管的外部应保持清洁，以减少误差。

3.绝缘劣化引起的误差

如果热电偶是绝缘的，那么保护管和撑板中的污垢或盐渣过多，会导致热电偶极与炉壁绝缘不良，在高温下更为严重，不仅会造成热电势的损失，还会引入干扰，由此产生的误差有时可达百度。

4.热惯性引起的误差

由于热电偶的热惯性，仪器的指示值滞后于被测温度的变化，这种效应在快速测量中尤为突出。因此，应尽可能使用热电极薄、保护管小的热电偶。在测温环境允许的情况下，甚至可以把保护管拿走。由于测量滞后，热电偶检测到的温度波动幅度小于炉温波动幅度。测量滞后越大，热电偶波动幅度越小，热电偶波动与实际炉温的差值越大。