發布日期：2022-10-09 點擊率：37
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導讀：溫度傳感器，顧名思義就是對溫度敏感的傳感器，那么溫度傳感器是如何工作的呢?下面就隨小編一起學習一下溫度傳感器的工作原理吧。
本文引用地址：溫度傳感器工作原理--簡介
溫度傳感器 temperature transducer，利用物質各種物理性質隨溫度變化的規律把溫度轉換為可用輸出信號。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。現代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產實踐的各個領域中，也為我們的生活提供了無數的便利和功能。
2.溫度傳感器工作原理--分類
溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。
接下來小編會大家一一介紹一下這幾類溫度傳感器是如何工作的，有興趣的童鞋們快來學習一下吧~~~~
3.溫度傳感器工作原理--熱電偶
兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢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，其兩端相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，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。
4.溫度傳感器工作原理--紅外溫度傳感器
在自然界中,當物體的溫度高于絕對零度時，由于它內部熱運動的存在,就會不斷地向四周輻射電磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm 的紅外線，紅外溫度傳感器就是利用這一原理制作而成的。
SMTIR9901/02是一款現在市場上應用比較廣的紅外傳感器，它是基于熱電堆的硅基紅外傳感器。大量的熱電偶堆集在底層的硅基上，底層上的高溫接點和低溫接點通過一層極薄的薄膜隔離它們的熱量，高溫接點上面的黑色吸收層將入射的放射線轉化為熱能，由熱電效應可知，輸出電壓與放射線是成比例的，通常熱電堆是使用BiSb和NiCr作為熱電偶。
5.溫度傳感器工作原理--模擬溫度傳感器
AD590是一款電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，輸出電流223μA~423μA，靈敏度為1μA/℃。當在電路中串接采樣電阻R時，R兩端的電壓可作為輸出電壓。R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。
6.溫度傳感器工作原理--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。
拓展閱讀：
1.溫度傳感器工作原理及其應用
2.溫度傳感器集錦
3.溫度傳感器
傳感器相關文章:傳感器工作原理
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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%。
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。
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。常用的測溫傳感器的種類與測溫范圍如下表所示。
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）。
溫度傳感器的種類較多，我們介紹幾種主要的溫度傳感器及應用電路。
PN結溫度傳感器
工作原理
晶體二極管或三極管的PN結的結電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結的結電壓在溫度每升高1℃時，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做PN結溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時間常數為0.2—2秒，靈敏度高。測溫范圍為-50—+150℃。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。
應用電路(一)
采用PN結溫度傳感器的數字式溫度計，測溫范圍-50—150℃，分辨率為0.1℃,在0—100℃范圍內精度可達±1℃。
R1，R2，D，W1組成測溫電橋，其輸出信號接差動放大器A1，經放大后的信號輸入0—±2.000V數字式電壓表（DVM）顯示。放大后的靈敏度10mV/℃。A2接成電壓跟隨器。與W2配合可調節放大器A1的增益。
通過PN結溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。一般工作電流為100—300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩壓精度。
精確的電路調整非常重要，可以采用廣口瓶裝入碎冰渣（帶水）作為0℃的標準，采用恒溫水槽或油槽及標準溫度計作為100℃或其它溫度標準。在沒有恒水槽時，可用沸水作為100℃的標準（由于各地的氣壓不同，其沸點不一定是100℃，可用0—100℃的水銀溫度計來校準）。
將PN結傳感器插入碎冰渣廣口瓶中，等溫度平衡，調整W1，使DVM顯示為0V，將PN結傳感器插入沸水中（設沸水為100℃），調整W2，使DVM實現為100.0V，若沸水溫度不是100℃時，可按照水銀溫度計上的讀數調整W2，使DVM顯示值與水銀溫度計的數值相等。再將傳感器插入0℃環境中，等平衡后看顯示是否仍為0V，必要時再調整W1使之為0V，然后再插入沸水，看是否與水銀溫度計計數相等，經過幾次反復調整即可。
圖中的DVM是通用3位半數字電壓表模塊MC，可以裝入儀表及控制系統中作顯示器。MC的應用電路可參考本網站的常用A/D轉換器中的技術手冊。它的主要技術指標如下：
基本量程：±1.999V(2V)
線性誤差：該讀數的0.05%±1字
電源：5—7.5V單電源
平均功耗：300mW
過量程時：數字閃爍
DU腳接地時：數據可保持
應用電路(二)
下面我們來看看利用不帶A/D轉換器的單片機實現測溫的應用電路。
這里我們選用內帶一個模擬比較放大器的AT89C2051單片機來實現這一功能，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位單片機，內帶2k的Flash程序存儲器，128字節的內部RAM,具有15個I/O口，6個中斷源，只有20個引腳，價格也相當便宜，可謂價廉物美的單片機。詳細的資料可參見本網站的“ATMEL單片機”中的AT89C2051。其中內含一個模擬比較放大器，P1.0是比較放大器的同相輸入端，P1.1是比較放大器的反相輸入端，這兩個輸入輸出口內部并沒有上拉電阻，比較放大器的輸出端連至P3.6，也沒有引出，但可用指令訪問該引腳。
在該單片機外接RC元件即可構成簡單的，低精度的A/D轉換電路，電路如圖3所示，P1.0（同相端）接上RC充放電阻和電容，P1.1（反相端）作為外部被測溫度電壓的輸入端，作為PN結溫度傳感器，本身輸出電壓較低，可參照上一節我們給出的放大電路，溫度傳感電壓經放大后再引至單片機的輸入端。P1.2充放電控制端通過一個數kΩ的電阻接正電源Vcc，因為R1遠小于R2，可以認為在P1.2輸出邏輯高電平時，電壓是相當接近Vcc高電平的。
電路工作過程如下：程序開始時，先置P1.2為邏輯低電平，并延時一小段時間，使P1.2為低電平，電容C經R2放完電，此時，P1.0=0V，而P1.1>0V,比較放大器輸出“0”電平，接著置P1.2為高電平，同時定時器開始計時，當電容C上的電壓Vc充到Vc=Vx時，P1.0與P1.1的電位相等，比較放大器的同相端和反相端電平相等時，輸出端P3.6輸出高電平，當掃描查詢到P3.6為高電平時即停止計時，那么只要測得開始對電容充電到P3.6輸出高電平的時間，通過換算即可得到外部被測溫度電壓的值。
這里需要指出，從圖4中我們可以看到，電容器的充電過程并非線性，其充電過程可以描述為：
這個非線性特性，我們在單片機編程時，可以通過補償和校正的方法加以解決，最常用的方法也是最簡單的方法是通過查表的辦法進行修正。這樣便可滿足一種低精度簡易的溫度測量要求。
作者：廣州虹科電子科技
序言
溫度是反應物體冷熱狀態的參數，它與人們的生活密切相關，過高或者過低的溫度會給人體帶來不適，嚴重者甚至會威脅到生命。因此，對溫度的監測十分重要。古時候人們就已經為檢測溫度做出了努力，“水瓶”亦可稱“冰瓶”是古代人們用于監測溫度的工具，通過觀察瓶中水的狀態變化判斷溫度的變化。隨著科技的發展，人民生活水平的不斷提高，對溫度監測的要求也越來越高，現如今，溫度傳感器作為監測溫度的重要手段之一，為人民的生活帶來了極大的方便。本文就主要從類型、原理、特點及應用這四個方面來論述溫度傳感器。
1.溫度傳感器
許多人可能聽過溫度傳感器，知道它是測量溫度的，但具體的定義并不清楚。溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器品種繁多，主要分為四類，分別是熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、電阻溫度檢測器以及IC溫度傳感器，其中IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種。溫度的測量及控制對提高工作效率、保證生產品質以及促進經濟發展有著至關重要的作用。
由于溫度傳感器是通過感知物體隨溫度變化而某種特性發生變化測得的，因而能當作溫度傳感器的材料有很多，如電阻的阻值可以隨著溫度的變化而變化，物質的熱脹冷縮等，因而隨著科技的發展，越來越多的溫度傳感器會不斷出現在人們的身邊。下面我們主要介紹四大類溫度傳感器。
2.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。熱電偶測溫度的基本原理是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。根據熱電動勢與溫度的函數關系可以求得溫度。
圖1 熱電偶傳感器
熱電偶傳感器裝配簡單，更換方便，是壓簧式感溫元件，抗震性好。它的測量范圍大，一般是-200℃~1300℃，特殊情況下最低測量溫度可達-270℃，最高測量溫度達2800℃。除此之外，熱電偶傳感器機械強度高，耐壓性好，制作工藝簡單，價格便宜，在許多領域都能見識到它的身影。
根據熱電偶傳感器的特性要求熱電偶的材料溫度測量范圍廣，溫度線性度好，測量準確度高，輸出熱電動勢大，熱電性能穩定，物理化學性能好，不蒸發抗氧化等等。我國標準的熱電偶有六種，分別是銅-康銅，鎳鉻-考銅，鎳鉻-鎳硅，鎳鉻-鎳鋁，鉑銠10-鉑，鉑銠30-鉑銠6。
3.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℃。
圖2 熱敏電阻傳感器
熱敏電阻的主要特點是靈敏度高，電阻溫度系數比金屬大十倍以上，工作范圍廣，目前最高能測2000℃，最低能測-273℃。且熱敏電阻體積小，使用方便，易加工成復雜形狀，可大批量生產。
4.電阻溫度檢測器
一種物質材料作成的電阻,它會隨溫度的上升而改變電阻值,如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱為正電阻係數,如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱為負電阻系數。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
電阻式溫度檢測器是最準確的溫度傳感器之一，它不僅提供良好的精度，也提供了出色的穩定性和可重復性。大多OMEGA的標準電阻溫度檢測器都符合DIN-IEC B類標準。除此之外，電阻溫度檢測器還相對防止電氣噪聲，因此非常適合在工業環境中的溫度測量，特別是在電動機和發電機及其他高壓設備的周圍使用。
圖3 電阻溫度檢測器
5.IC溫度傳感器
模擬溫度傳感器
圖4 模擬溫度傳感器
常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、AD電壓輸出型、AD590電流輸出型等。AD590是電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍是3~30V，輸出電流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），靈敏度為1μA/℃。當在電路中串接采樣電阻R時，R兩端的電壓可作為輸出電壓注意R的阻值不能取太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。
數字式溫度傳感器
輸出為占空比的數字溫度傳感器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。
圖5 數字式溫度傳感器
若是采用數字式接口的溫度傳感器，則可通過單線和微處理器進行溫度數據的傳送，輸出的方波信號具有正比于絕對溫度的周期，利用微處理器內部的計數器測出周期后就可計算出溫度。
可多點檢測、直接輸出數字量的數字溫度傳感器一般在芯片上分別設置了一個振蕩頻率溫度系數較大的振蕩器和一個溫度系數較小的振蕩器。在溫度較低時，由于溫度系數較小的振蕩器開門時間較短，因此溫度測量值較小，當溫度較高時，其計數值增大，上述計數值基礎上再加上一個同實際溫度差的校正數據構成了精密的數字式溫度傳感器。
6.溫度傳感器的應用
在汽車領域中的應用---車用傳感器是汽車電子設備的重要組成部分，它們擔負著信息收集的任務。在汽車電噴發動機系統、自動空調系統中，溫度是需要測量和控制的重要參數之一。發動機熱狀態的測量、氣體和液體溫度的測量都需要用到溫度傳感器。試想一下，在一個炎熱的夏天，你坐著一輛沒有空調的車去往你的目的地，這是一件多么恐怖的事。因此，車用溫度傳感器必不可少。
在家用電器中的應用---溫度傳感器廣泛應用于家用電器，如微波爐、空調、油煙機、吹風機、烤面包機、電磁爐、炒鍋、冰箱、熱水器、飲水機、洗衣機等等。
在醫藥方面的應用---現如今，諸多藥品的研發與生產也開始對溫度有了要求，如何保證藥品在研發到運輸到存儲或食用這幾個階段內依舊安全有效，醫藥鏈溫度監測是重中之重。有效使用溫度傳感器，病人患者的生命安全得到保障。
7. 總結
溫度傳感器種類數量繁多，功能強大，已經深深的影響并改變了人們的生活。相信隨著科學技術的發展，功能越來越強大且完善的溫度傳感器會使人們的生活水平越來越高，會給人們帶來越來越多的便利，也會給人們的生命安全帶來更多的保障。
參考資料
[1]《淺談溫度傳感器的主要類型和應用》
[2]《溫度傳感器的工作原理》
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