什么是温度传感器？

世界一天比一天暖和。这句话在我们的日常生活中不时出现。但我们很少想知道它的含义。什么更暖和？温度是多少？它是比热还是仅仅比冷还热？对我们人类的感官来说，温度只是一个主观的评价。对于一个客观和可重复的测量，我们需要量化温度值，为此，需要一个合适的测量装置。



图1: 温度传感器的表征图像

这是通过使用温度传感器来实现的。

温度及其测量
简单地说，温度是身体的热度，是体内热量的度量。直到蒸汽机的发明，才出现了量化物体热含量的问题。科学家们对不同热含量水平下水的行为的好奇心引发了一个正式的、更好的研究。最早提到“温度”可以追溯到1760年，当时约瑟夫 · 布莱克宣称，对不同的材料施加相同的热量会导致不同的温度。多年的严格科学研究导致了许多理论，从简单的热量概念，将热量视为一种物质，在材料之间进行交换，到卡诺对热量作为一种能量形式的描述(这奠定了能量守恒定律的基础)。然而，它们都没有令人满意地解释温度的概念。正是麦克斯韦的理论为它提供了很好的推理。他把物体的温度定义为它的热性质，这种热性质提供了有关系统能量含量的信息。它是对物质分子平均动能(运动能)的度量，表示热势，热势由高温流向低温。
据说“温度”这个词本身来源于拉丁语“蛋彩”，意思是“温和或软化”。沿着麦克斯韦的思路，分子的速度应该是选择温度值的基础，绝对无热是指分子完全静止的状态。但是，这种测量实际上是不可能的，因此，热效应的其他表现形式被用来测量温度，例如，材料的几何膨胀。具有主要里程碑的温度传感器简史如下图所示:


图2: 温度传感器主要里程碑简史表

类型: 联系温度传感器
温度传感器的种类:
基于传感距离的温度传感器主要有两大类:
1.接触式温度传感: 传感器与被监控物体进行物理接触。这种方法可以用于固体、液体和气体。用于测量的传感器可以从毛细管球温度计和双金属传感器到使用不同电压信号或电阻值的传感器。
膨胀温度计: 这些传感器使用双金属条，在特定温度下具有不同的膨胀率。因此，这种膨胀的差异可以转化为温度变化使用一个机械指针。虽然不是很准确，这些设备提供了便携的优势。低成本的应用，如机械钟表的时间补偿器，温度较高的自动调节器可能会像加热控制器那样打开接触点，或者像冰箱那样关闭接触点，利用双金属片来打开和关闭机械开关，反过来控制电气开关，如断路器。
充满式温度计: 这些设备充满了一些替代品，由于温度的变化而膨胀或收缩。它们可能充满了水银。然而，由于它被认为是一种环境危害，有机液体类型可以代替使用。它们不需要任何电力来操作，即使重复使用也很稳定。然而，他们没有提供任何类型的读存储解决方案，也不能进行点测量。这些在医疗行业中用来测量体温。
基于电压信号的传感器: 热电偶是这一类的主要传感器。其基本原理是塞贝克效应。当两种不同的金属或合金放置在一起以形成两个结时，当结之间的温度有差异时，在结上感应电压。这些传感器能够检测非常高的温度(高达1700华氏度) ，有一个非常简单的设计，这使得它们对冲击和振动非常强大，可以几乎立即响应温度变化。然而，他们提供局部温度读数，需要冷端补偿来维持温度梯度。此外，与其他传感器相比，它们是高度非线性的设备，需要调节电子和处理器方面非常好的算法来补偿非线性。由于热电偶的温度范围宽、坚固耐用，它们可以应用于极高温度传感应用、化学反应监测、金属切削、气相色谱法、内燃机内部温度传感等; 但是，如果要求高精度和线性，就必须使用其他温度传感器。简单的实现想法可以像下面这样:


图3: 基于电压信号的传感器结构图

基于电阻值的传感器: 金属和半导体对流过它们的电流的电阻随温度变化而变化。这种变化可以被监测并映射到一个尺度上的各种温度值。此外，随着温度的升高，电阻值可能升高或降低。与大多数金属一样，具有正温度系数的物质的电阻随温度的升高而发生正变化，而大多数半导体的电阻随温度的升高而降低，这是由于它们的负温度系数。根据温度系数，电阻温度探测器可进一步分为两类:
电阻丝 RTD: 主要建立与材料的正电阻系数材料，如铂，RTDs 是电阻元件，展示随温度的电阻变化可预测。电阻随温度的变化关系式如下:


图四: 电阻随温度变化的方程式

在这里，Rt 和 Ro 是材料在温度 t 和 °c 和 °c 时的电阻？是普通温度系数。
这些器件可以是薄膜电阻器或线损电阻器。它们提供非常宽的线性温度测量范围(- 200至650摄氏度) ，并且非常稳定，即使年复一年地重复操作，漂移也很小。铂电阻 RTD 一直作为国家标准局的主要插补仪器。与热电偶相比，信号输出相当大，并且可以使用普通的铜线进行延伸。此外，这些可以分布在一个大面积。这种传感器可以安装在下图所示的平衡小麦-斯通桥电路的一个臂上，整个电路用于计算和使用反馈控制执行器来维持温度。它们提供了热电偶短路时所需的线性操作范围。Rtd 在冷接头补偿、校准、小麦石桥电路和过程控制等应用中得到应用。线性度简化了信号调理电路的实现，使 rtd 适用于高精度应用。与热电偶相比，RTDs 测量的是绝对温度，因此，可能不适合像使用热电偶那样保持整个表面的均匀温度。


图五: 表示热电阻阻抗的结构图

热敏电阻器: 半导体提供各种现象，并形成电子学的基础。正负温度系数半导体都有，基于这些半导体的传感器可以区分为冷线式的 PTC 热敏电阻和热线式的 NTC 热敏电阻。对于 ptc 热敏电阻器来说，铁电性是导致正温度系数在短时间内变化的主要现象。这些材料的操作温度范围很短，因此适合作为限温开关使用。它们已成功地用于 CRT 显示器中作为消磁线圈的定时器。它们可以用作限流装置形式的熔断器的替代品。如果电流增加，就会产生更多的热量，加热热敏电阻。这增加了电阻，从而降低了器件可用的电流和电压，从而保护器件不受增加的电流的影响。对于 ntc 热敏电阻，电阻与温度呈负指数关系，具有很强的重复性。在使用范围内，这个指数曲线可以看作是一个相当线性的图形，甚至可以提供比 rtd 更高的灵敏度，这使得它们在测量精度方面更具吸引力。


图6: 指数曲线图，比 rtd 更灵敏

由于其低廉的成本，它们在汽车和消费品行业，如冷却剂和油温监视器，保温箱温度维护，低温温度计，现代数字恒温器，电池组温度监视器等，有着广泛的用途。使用 NTC 热敏电阻的最新应用是3 d 打印，热敏电阻用于在3 d 打印机的高温端保持恒定的温度，以适当熔化塑料丝。
集成硅温度传感器: 除了所有这些分类，集成电路的设计，以提供易于使用，同时测量温度在所需的规模。例如，来自德州仪器的 LM35 IC 是一种精密温度传感器 IC，可以直接在摄氏温度表上提供读数，lm34是另一种提供华氏温度表读数的设备。这些集成电路提供的电压读数与某个温度倍增器成正比，因此可以直接从万用表读出，或直接馈入 ADC 进行进一步处理。它们提供了简单的集成和与电路其他元件的接口。许多半导体公司，如模拟设备公司，微芯片公司，智能科技公司，ZMD 公司和意法半导体公司都致力于温度传感器的设计，甚至为微控制器提供信号处理电路和数字 i/o 接口。这些温度传感器广泛应用于个人电脑、办公电子设备、移动电话、人工气体传感器和电池管理解决方案等消费产品中。
除了这些主要的温度测量原理之外，还发展了其他的方法。其中有振荡石英温度传感器、热噪声温度计、光纤温度计和温度测量系统。


图7: 集成硅温度传感器的图形

非接触式温度传感器
2.非接触式温度测量: 这些传感器进行温度测量没有物理接触的对象进行监测。这类传感器中最主要的测量方法是红外测量技术——测温法。


图8: 图示非接触式温度传感器

高温测量: 用非接触式设备截取和测量热辐射的过程。从身体发出的辐射通过上图所示的透镜聚焦到辐射接收器上。该接收机可以是任何敏感器件，如热电偶、光敏电阻、光敏二极管等。传感器动作产生与可用于测量温度的辐射量成比例的电信号。使用的高温计种类繁多，有全辐射高温计、分布式高温计、光谱高温计、消光丝高温计等。这些设备很少取代接触式传感器，因为它们只给出表面温度值。
热成像照相机: 虽然在原则上类似于高温计，这些设备产生的物体的热图像。这些主要用于监测和控制机械的地方局部加热可以妨碍正常运作。
声学测量: 这种装置是基于各种材料中声音色散速度随温度变化的原理。
绝对温度 = k v



这里 v 是声速。此外，声学测量可以采用石英谐振器或非谐振方法，如脉冲回波测距原理。他们在焚化炉之类的熔炉里找到了用途。
传感器的选择准则
温度传感器的选择准则
没有一种温度感应装置是万能的，可以在任何地方使用。如果我们知道热电偶的工作温度范围很宽，那么 RTDs 在线性范围内是无与伦比的，热敏电阻是非常精确的，而硅传感器很容易集成在电路中。在某些应用中，特定温度传感器的使用受许多参数控制，其中最重要的是温度本身。应用的温度范围、温度可能变化的速率等有助于决定设计的类型。例如，对于具有高工作温度的传感器，需要特殊的连接引线，而对于必须处理温度冲击的传感器，线绕式结构是首选。
传感器在规定的工作条件下的稳定性和准确性是选择设计时的另一个重要因素。设备的灵敏度测量小的变化和它是多么容易自我加热，决定了设备的可靠性和它的性能。传感器的响应时间通常取决于传感器的大小。例如，薄膜型电阻传感器的小尺寸导致相关的热容量极小，因此响应时间很短(在水中为0.1秒，在空气中为3至6秒)。在相同的应用范围内，线型电阻在水中的响应时间为0.2ー0.5秒，在空气中的响应时间为4ー25秒。为了帮助您为您的应用程序选择正确的温度传感器，以下是4种常用传感器的比较表，以便参考。

	热电偶	RTD 热电阻	Thermistor 热敏电阻器	Integrated SIlicon 集成硅
温度范围	- 摄氏270至1800度	- 摄氏250至900度	- 摄氏100至450度	摄氏55至150度
准确性	±0.5°C	±0.01°C	±0.1°C	±1°C
线性(多项式的最小阶数，越小越好)	四次多项式	二次多项式	三次多项式	不需要线性化。在 ± 1 ° c 范围内
敏感性	? 10µV/°C	0.00385?/?/°C (Pt)	Several ?/ ?/°C	-2mV/°C
坚固性	Larger the gauge of 线径越大，坚固性越好	由于振动很容易破损	封装在玻璃中的全封闭热敏电阻器，不受冲击或振动的影响	像塑料封装的集成电路一样坚固。
响应性(测试条件)	Tres<1s	1s	1s	4s
需要外部激励	没有	电流来源	电压源	电源电压
输出	电压	电阻值	电阻值	数字/电流/电压
成本	1到50美元	25到1000美元	2到10美元	1到10美元

除了这些考虑，接触式或非接触式传感器的选择取决于各种其他环境条件。虽然接触式传感器可以提供经济的测量，并且相当准确，但是需要物理接触，这可能会导致污染、磨损和热沉降，从而改变被测量的温度。另一方面，非接触式传感器可以在远处提供更快的响应和监测，但不能测量气体温度，而且有可能影响读数的环境温度限制。


这个世界和宇宙中几乎所有的东西都与人海万花筒(电影)有关。地球上的生命之所以能够存在，是因为温度刚刚好。我们的体温需要调节，否则酶可能会失灵。海洋的温度变得稍微高一点，溶解在其中的二氧化碳会重新回到大气中，导致更多的变暖。空气调节之所以有效，是因为我们可以实际测量温度并采取纠正措施。电子电路在特定的温度范围内运行最佳。虽然温度传感器可能不能确保味道，但是可以确保你的食物煮得很好，葡萄酒尝起来很精致。难怪温度如此重要，以至于被定义为科学的基本物理量之一。因此，温度传感器的重要性不能被削弱。

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