大纲
简介
温度是所有物理参数中最广泛被感知的参数，因为它在分子水平上对材料和过程具有重要意义。温度是一个特定的热或冷的程度作为一个特定的尺度。温度也被定义为一个系统或物体的热量。热能与分子能量直接相关:热能越高，分子能量越大。
温度传感器监测材料或物体在其温度变化时发生的变化。温度传感器可以检测到与温度变化相对应的物理量的变化。物理量可以是任何东西，比如电阻或电压。基于电热能的传感器利用电流通过导体的热效应。基于热能到电能的传感器将需要一个温差来操作。
温度传感器类型
温度传感有两种类型:接触式和非接触式。在基于接触的温度传感中，传感器将与被感知的物体进行物理接触。在非接触式温度传感中，传感器解释热源的辐射能。辐射能是电磁波谱的红外部分发射的能量形式。非反射固体和液体可以使用非接触技术进行监测。
这两种类型的温度传感器可以分为三个家庭:机电，电阻和电子。
机电传感器
双金属温控器或双金属条
人类的身体是如此神奇，我们感觉太冷或太热取决于天气状况。我们的身体有自我调节机制，有能力调节和维持体温在370c、同理，在我们家里的时候我们需要保持室温恒温器使用。
温控器是一种接触式机电传感器，用于测量室内温度。它发明于17年th本世纪，现在我们有了现代恒温器。今天的恒温器由热激活开关和温度传感器组成。开关会打开或关闭，并导致电路流动或中断。恒温器可以是电子或机械类型。这两种类型的功能不同，但它们测量房间的温度。
顾名思义，双金属温控器由两种不同的金属铆接在一起形成一个复合带。这两条金属条在热和压力下粘在一起。通过对两种金属施加不同的膨胀率或线性膨胀率，可以将热能转换为机电运动。材料的线性膨胀率或膨胀系数是长度随温度变化度的分数变化。当加热时，带材会弯曲，因为一种金属的膨胀系数比另一种高。这种弯曲可以被任何位移传感器感知。
恒温器的工作
工作的基本原则是热膨胀使电路接通或断开。它由两种不同的金属组成，如镍、铜、钨或铝。任何两种金属的结合形成复合带材。它们通过热和压力粘合在一起。这就是所谓的Bi-metallic地带．两种金属的膨胀速率不同。因此，当对带材施加热量时，它会经历机械弯曲运动。双金属条的作用就像一座桥，它有助于连接或断开房屋或工业内部的加热或冷却系统的电路。
当金属处于冷状态时，触点闭合，导致电流通过恒温器。在加热过程中，双金属带材变热。这导致一种金属比另一种金属更热。热的钢条膨胀得更大，导致梁弯曲。这一转动使电路断开并关闭冷却或加热开关。电触点打开，电流停止。
过了一段时间，钢带开始冷却。当它开始冷却时，在加热过程中膨胀的金属会收缩并试图恢复到原来的大小。当它恢复到原来的尺寸时，电路将接触并立即开始冷却/加热过程。
1 .外表盘调节温度
2 .电路将表盘与温度传感器连接
3条带1条圣金属(铜)
4条带2条nd金属(铁)
5内电路
2.灯泡和毛细管恒温器:它们利用液体膨胀或收缩的毛细管作用来建立或断开电接触。
电阻式传感器
热敏电阻
什么是热敏电阻?
热敏电阻是热敏电阻。在热敏电阻中，电阻随温度的变化而变化。它们是由两种或三种金属氧化物组成，其中一种是氧化锌。这个组合被插入一个陶瓷基座，它是一个绝缘体。
热敏电阻根据温度系数分为两种:正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。
对于温度系数为正的热敏电阻，电阻与温度成正比，即电阻随温度升高而增大。
对于负温度系数的热敏电阻，电阻与温度成反比，即电阻随温度升高而减小。负温度系数热敏电阻提供更高的灵敏度，可用于快速热响应的小配置。NTC是由陶瓷和聚合物制成的。使用了钴、镍、铁和氧化铜等材料。
电阻式温度器件(RTD)
与热敏电阻类似，电阻式温度器件的电阻变化来测量和控制温度。电阻式温度器件由感应元件、连接线和测量仪器组成。在传感元件和测量仪器之间使用连接线，并在过程中使用支架来定位元件。
传感元件是电阻，其电阻随温度变化而变化。传感元件由一圈导线组成，导线被蚀刻在其中。这是装在陶瓷和密封陶瓷玻璃。导电薄膜也可用来代替线圈。
图片资源链接:archives.sensorsmag.com/articles/0101/24/main.shtml
传感元件的位置应该使其能够快速达到工艺温度。对于常见的高振动和冲击的应用，绕线装置应充分紧固。为了从远处测量电阻，可以使用传感元件和仪器之间的延长线。
原则
它的工作原理是，当温度变化时，金属的电阻也会变化。有一定量的电流通过RTD元件或电阻。用万用表测量RTD元件的电阻。得到的电阻值与温度相关。所以，顾名思义，当金属的温度升高时，金属的电阻就会增加。这导致电流增加。
RTD具有正的温度系数(PTC)。铂材料主要用于RTD施工。因此，铂电阻温度计(PRT)又称，Pt100是目前流行的温度传感器。它在0处的标准值是100欧姆0C.使用铂是由于下列原因。
- 化学惰性
- 温度和电阻呈线性关系
- 温度系数更大
- 更稳定的
RTD线配置
当RTD有更多的电线时，据说更精确。有两线制和三线制配置。只有当需要近似温度值时，才使用双线配置。工业上最常用的配置是三线制配置。通常，使用惠斯通桥电路作为引线补偿技术如下所示。
由上图可知，A线和B线的长度应该相同。导线A和导线B的阻抗作用于桥的另一端，它们相互抵消。因此，导线C被允许携带极少量的电流。这是在惠斯通桥的帮助下完成的。
电子传感器
热电偶
当两个不同金属的导体在电路的一端连接时，它们就形成热电偶。它们不包含像电阻式温度装置那样的传感元件，因此在使用的材料方面受到较少的限制。它们可以处理比电阻式温度设备更高的温度。
热电偶的结构由导体和用于绝缘的陶瓷粉末组成。热电偶有两个结:热结和冷结。其中热结为测量结，冷结为参考结。测量结暴露在过程温度下，另一结保持在参考温度。
当接点受到不同的温度时，导线中流动的电流与它们的温差成正比。
热电偶的原理
它的工作基于三种效果
- 塞贝克效应:当两种不同的材料在不同的温度连接在一起，并向任何一种金属提供热量时，就会有电子从铁水金属流向冷金属。电子的这种运动将导致电路中产生电流。金属之间的温差会引起它们之间的电位差。
- 珀尔帖效应:与塞贝克效应相反的是佩尔蒂埃效应。它指出，当两个金属之间施加电位差时，会在连接的金属之间产生温差。
- 汤姆森的效果:当两种不同的金属结合在一起时，就会产生两个连接。在这种情况下，由于两种金属之间的温差，导体就会产生电压。
硅传感器
半导体材料的电阻特性用于硅传感器。电阻特性是整体的，而不仅仅是不同掺杂区域的连接。在低温下，硅传感器提供正的温度系数，即电阻随温度的增加线性增加。
红外线高温计(IR高温计)
当温度高于绝对零度时00K，所有物体都会发射红外线能量。发射的红外能量与其温度有直接的关系。红外传感器测量物体发出的红外能量，并将读数转换为电压。红外线的波长范围是4 ~ 20微米。输出电压通过调节电路进行调节，以提供温度读数。影响红外传感精度的因素有反射率、透过率和发射率。物体反射红外能量的能力的量度是它的反射率。测量一个物体发射红外能量的能力就是它的透过率。测量一个物体辐射红外能量的能力就是它的发射率。如果一个物体的发射率是0.0，它就被称为完美反射器。 An object with an emissivity of 1.0 will emit or absorb 100% of the IR energy applied to it.
额外的信息
热敏电阻
热敏电阻器是热敏电阻器，通常使用金属氧化物的混合物制成。热敏电阻器的结构类似于碳成分电阻器。热敏电阻可以有多种物理形式，如棒、板、珠、微珠，也可以封装在金属容器中。根据建筑中使用的混合物的类型，热敏电阻具有正的温度系数和负的温度系数。正温度系数热敏电阻是不常见的，是非常非线性的。负温度系数热敏电阻是最常用的热敏电阻，它遵循对数定律，电阻不会发生显著变化。如果已知热敏电阻在θ温度下的电阻2，则为温度θ下的电阻1可以用以下公式计算:
R1= R2((B /θ1) - (B /θ2）)
在哪里
B是热敏电阻常数
θ1和θ2温度是开尔文吗
R1和R2抗性。
负温度系数(NTC)热敏电阻是常用的热敏电阻，用于温度控制应用。一些应用是深度冷冻恒温器，过程控制器，低温烤箱控制器和室温传感器。负温度系数热敏电阻的温度范围为-1500C - 2000C.一些负温度系数的热敏电阻可以承受高达600的温度0C.热敏电阻的相关电路将是限制温度范围的关键因素。这是因为与电阻范围相比，温度范围要小得多。
顾名思义，负温度系数的热敏电阻会有负的电阻变化来增加温度。典型的负温度系数热敏电阻特性如下图所示。
这条曲线的形状是指数型的而不是线性的。在几乎所有的应用中，负温度系数热敏电阻都比双金属带材具有相当大的优势。
采用负温度系数热敏电阻进行温度传感的电路如下所示。
它采用运算放大器，通过改变反馈比可调节灵敏度。
使用温度系数大于电阻温度系数的半导体材料来构造负温度系数的热敏电阻。NTC热敏电阻是指负温度系数较大的器件。NTC电阻器是指负温度系数小的器件。
正温度系数热敏电阻是近年来发展起来的一种热敏电阻，用于温度传感的保护电路。与负温度系数热敏电阻不同，正温度系数热敏电阻的电流电压特性呈现方向变化。
电阻随温度变化的典型图或正温度系数热敏电阻的特性曲线如下所示。
直接使用正温度系数热敏电阻的应用非常少，因为不希望控制通过热敏电阻的电流。
热敏电阻的结构使它们成为任何基于温度的传感器中最敏感的。热敏电阻价格低廉，因为它们不含铂。热敏电阻是一种动力器件，即它们需要外部电输入才能发挥作用。由于热敏电阻是一种电阻器件，所以除了被测量的热量外，它们还会产生热量。根据结构的不同，热敏电阻可以是坚固的，也可以是脆弱的。珠型热敏电阻有非常细的引线，必须防止振动和冲击。
热敏电阻的优点是成本低、响应快、体积小、电阻高。
缺点是自加热，无电阻标准，需要额外的电路来控制应用负载和比热电偶暴露在低温下。
热电偶
热电偶是热传感器中最常用的传感元件。热电偶由两种不同金属的导体组成。热电偶的原理是这两种金属之间总是有一个接触电势，并且这个接触电势随着温度的变化而变化。为了测量接触电位，电路中需要两个连接或接点。这些结被称为热结或测量结和冷结或参考结。热结或测量结暴露在过程温度下，冷结或参考结保持在已知的参考温度。当接点处于不同的温度时，导线中流动的电流与温差成正比，电压可以被检测到。一般来说，电压将在几毫伏的顺序。如果两个节点的温度相同，输出电压为零。当接点的温度增加时，输出电压增加，直到达到峰值。 The characteristic curve of a thermocouple is shown below.
从上面的特性曲线可以清楚地看出，热电偶只有在一定的有限的温度范围内才有用。这是因为曲线的非线性形状和在温度高于过渡点或翻转点时发生的曲线反转。
热电偶的工作基于三种效应:塞贝克效应、佩尔蒂尔效应和汤姆逊效应。
热电偶利用塞贝克效应计算电动势。根据塞贝克效应，热电偶中的电动势由下式给出。
E = a + bθ + cθ2
其中a、b和c为热电偶中所用金属类型的常数，θ为它们之间的温差。
如果冷接点维持在00C，电动势是
E =αT2+βT
其中α和β为金属对的测量常数，T为温差。
当温度低于过渡点时，α的值通常很小而被忽略。所以电动势几乎与温差成正比。
根据Peltier效应，当两种不同的金属连接在一起形成两个结时，由于两个结之间的温差，在电路中产生电动势。
根据汤姆逊效应，当两种不同的金属连接在一起形成两个结时，由于沿导体长度的温度梯度，电路中存在一种电位。
当电流流过导体时，导体的两端保持不同的温度，一定数量的热量释放的速率与温度梯度和电流的乘积成正比。
热电偶的工作原理解释如下。
两种金属A和B连接在一起形成两个结p和q。结p是热结或测量结，而结q是冷结或参考结。p和q的温度分别是T1和T2。如果两个结的温度相同，那么在结处产生相等和相反的电动势，净电流为零。
但如果连接的温度不同，那么电路中就会产生电动势，它是连接温度差异的函数。
热电偶中使用的一些常见的金属组合是铜-康钽、铁-康钽和铂-铑。铜-铜型热电偶一般用于较低的温度范围。铂铑型热电偶主要用于较高的温度范围。
一般来说,一个放大器电路用于放大热电偶的输出电压，因为它们非常小。当热电偶与灵敏的毫微米电压表一起用于温度测量时，不需要放大电路。
在所有传感器技术中，热电偶具有最广泛的温度范围。根据热电偶的类型，温度范围可以从-2000C - 23150C.下面描述一些最常见的热电偶类型。
- 类型:它使用纯铂作为一种金属和90%铂，10%铑作为其他金属的合金。这种类型的热电偶推荐用于高温，温度范围为00C - 14000C和必须用非金属管与陶瓷绝缘体保护。
- R型:它使用纯铂作为一种金属和合金的87%铂，13%铑作为其他金属。它类似于S型，但R型用于工业用途，S型用于实验室用途。
- J型:它是由铁作为一种金属和铜-镍作为其他金属的合金组成的。温度范围为00C - 8000C.它们适用于真空或惰性气氛。在较高的温度下，推荐使用重规格的电线，因为铁在540度以上会迅速氧化0C和氧化气氛会降低寿命。
- 凯西:类型它使用镍铬合金和镍铝合金。K型热电偶温度范围为00C - 11000C.由于铁不是作为金属之一使用，它们适合于540以上的连续氧化气氛0C.当接触硫时，K型热电偶可能会失效。温度在816度之间0C - 10380在低氧浓度下，铬的优先氧化导致绿腐病和一个大的负校准漂移。为了防止这种情况，可以进行通风或密封保护管。
- 艾凡:类型这种热电偶采用镍铬和铜镍合金作为热电偶。这些类型推荐用于连续氧化环境。他们提供最高的热电输出所有可用的热电偶。温度的范围是00C - 8000C。
- T型:它以铜为金属之一，以铜镍合金为其他金属。适用于真空、氧化、惰性环境，也可在零度以下工作。温度范围为-2000C - 4000C.在潮湿的环境中耐腐蚀。
其他常用的类型是B型，类似于R型和S型，但输出较低，以及N型，用于替代K型，它有较短的寿命和稳定性问题。
由于使用不同的材料组合，热电偶在不同温度下产生较高的输出电压，输出电压曲线接近线性。因此，热电偶很容易与控制器连接。
热电偶中使用的结型有三种:接地结、不接地结和裸露结。
在接地连接，为了保护热接点或测量接点，它被焊接到一个保护金属护套的内部。这可能会影响热响应，但使其容易受到电磁干扰。
在无根据的结，用一种导热材料将热接点与其保护金属护套电绝缘。这使结隔离了电磁干扰，但增加了热滞后。
暴露的结具有最快的响应时间。在这种接点类型中，为了形成热接点，传感尖端由两种不同的导线通过焊接、焊接连接而成。
热电偶的优点是体积小、温度响应快、价格便宜、温度范围宽、耐振动和冲击。
缺点是在较高温度下稳定性较差，需要额外的保护以防止腐蚀，需要额外的电路来控制应用负载和使用特殊的延长线。
电阻温度计
电阻温度计也被称为电阻温度探测器或电阻温度器件(RTD)。电阻温度计以前只用作实验室仪器。但是，这种结构的进步使得它们被用于许多曾经只考虑热电偶的应用领域。它们是通过将电阻温度计的电阻与温度联系起来来测量温度的。
图片资源链接:npl.co.uk/publications/good-practice-online-modules/temperature/types-of-thermometer/electrical-thermometers-resistance-thermometers/
虽然像镍、铜这样的几种材料可以用于电阻温度计的构造，但铂是首选，因为它是国际标准的参考材料，在-270范围内使用0C - 6600C.铂还具有耐腐蚀的优点，在很宽的温度范围内具有几乎线性的电阻-温度关系，可以在非常纯的状态下制备。铂是一种非常稳定的材料，在电和机械方面。因此，由于材料老化而产生的电阻值漂移可以忽略不计。
最初，铂电阻温度计是一个笨重的设备，但微型版本是可用的。尽管它们很小，但它们结合了铂电阻原理的准确性和铂耐腐蚀环境的能力。
电阻温度计的传感元件是由一段细盘铂丝绕在一根陶瓷棒上制成的。导线的电阻随温度的变化而变化，用电流来测量。电压是用合适的电桥测量的。当用延长线在传感元件中终止电阻时，需要2线或3线或4线的排列。外部引线的电阻值也应考虑在内。这是通过将引线连接到惠斯通电桥来完成的。
下面是用于电阻温度计的简单的2线惠斯通电桥电路。
导丝电阻R一个和Rb与传感器的电阻一起测量。
三线排列如下图所示。
不建议采用双导线排列，因为导线越长，引线电阻越大。通过假设所有的引线电阻是相同的，使用三线排列将允许良好水平的补偿引线电阻。为了实现更高的精度和引线补偿，首选四线布置。
对于所有使用电阻温度计的应用，电桥中的电流必须很低，因此铂丝的自热可以忽略不计。为了使测量电桥在低电流下工作而不影响灵敏度，采用了现代的高阻抗放大器。
电阻温度计用于各种消费应用，如恒温器，冰箱，烤箱，汽车，空调和即时热水器。
一些流行的工业应用是计算机，打印机，过程控制，电机温度，电源，HVAC仪器和电子组件。
电阻温度计也用于医疗应用，如培养箱、呼吸器和一次性用品。
电阻温度计中最常用的材料是铂、镍、铜和镍铁合金。
不同材料的温度极限为
- 铂- 2700C - 6600C
- 镍- 1000C - 3200C
- 铜- 750C - 1500C
- 镍-铁- 00C - 2000C
用于连接传感元件和测量仪器的导线由镍、镍合金、镀银铜、镀锡铜和镀镍铜制成。这些电线用聚氯乙烯、特氟龙和玻璃纤维等材料绝缘。
传感元件和引线插入一个封闭的端部钢管中，该钢管内填充有陶瓷粉末，陶瓷粉末作为阻尼或传热材料。
由于这些是电阻器件，因此必须考虑器件的质量和自热性。
电阻式温度计的优点是电阻线性度高、精度高、重复性好、输出电压比热电偶大、温度范围宽。
缺点是成本高，体积大，自热，在高振动环境下不耐用。
硅带隙温度传感器
硅带隙温度传感器是常用的温度传感器形式电子设备．硅带隙温度传感器的原理是硅二极管正向电压对温度的依赖性。正向电压可以是BJT的发射极-基极结。
V是= VG0(1 - t / t0) + VBE0(T / T0+ (nKT / q) ln (T0/ T + (KT / q) ln IC/我C0）
在哪里
VG0带隙电压在绝对零度吗
T是以K为单位的温度
T0参考温度
VBE0T处带隙电压是多少0和现在的我C0
N为设备常数
K是玻尔兹曼常数
Q是电子的电荷
我C是集电极电流
比较了两个温度相同的节点在不同电流I下的带隙电压C1,我C2将上述方程中的大部分变量消去。这种关系可以表述为
ΔV是= (KT / q) ln IC1/我C2）
这个电压可以通过校准来计算温度。
硅带隙温度传感器可在IC版本与芯片信号调理。IC型硅带隙温度传感器具有内存，可精确校准。
硅带隙温度传感器的应用领域包括发动机冷却液、空调、过热保护和电源。
硅带隙温度传感器的优点是比电阻温度计更便宜，比热敏电阻更线性，比热电偶和电阻温度计和IC级制造更高的输出。
硅带隙温度传感器的缺点是线性度小于电阻温度计，温度范围有限，热响应慢，封装尺寸大。
