淺談溫度傳感器原理及其應用

金巖 趙瑞芳 陳開府

[摘? ? ? ? ? ?要]? 溫度傳感器是利用半導體、金屬等材料的熱敏特性將溫度轉換為輸出信號的傳感器。溫度傳感器是開發早、應用廣泛的一種傳感器，在科學研究、工農業生產與生活中起著重要作用。對溫度傳感器的工作原理及其應用展開論述。

[關? ? 鍵? ?詞]? 溫度傳感器;溫度測量;傳感器應用

[中圖分類號]? S951.4+1 ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2018）35-0166-02

隨著工農業與電子信息產業的高速發展，傳感器市場需求不斷增加，在整個市場中，溫度傳感器占據40%以上。溫度傳感器可以用來測量、控制溫度，對紫外光和紅外光、風速、流速和流量測定以及微波功率測量等，被廣泛應用于熱水器、空調、電冰箱彩電、電腦顯示器等家用電器及汽車、軍事等領域。隨著溫控系統的廣泛應用，使我國溫度傳感器的需求日益增加。

一、溫度傳感器的分類

溫度傳感器種類繁多，根據其測量方式不同，可分為接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器兩種。接觸式溫度傳感器是指在測量物體溫度時與待測物體有良好的接觸，保證溫度測量的準確性。常用的接觸式溫度傳感器又分為半導體熱敏電阻溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器和集成溫度傳感器等。非接觸式溫度傳感器可以對物體熱輻射發出的紅外線進行測量，從而達到測量物體溫度的目的，同時可以進行遙測。

現結合實際情況，簡單對這些溫度傳感器的特點進行分析，詳細特點如下：

（一）熱電偶溫度傳感器

這是一種較為常用的溫度傳感器類型，它的特點主要包括：（1）結構簡單，內部沒有復雜的構件，它的溫度測量精度較高，可用于多種環境中。（2）測量范圍很廣，且在實際的工作中不易受到外界環境的干擾，仍舊能夠保持良好的工作狀態。（3）熱慣性十分小，輸出的信號是電信號，而且這種信號能實現長距離傳輸和信號轉換。（4）具體的使用中，它能對不同類型的物體進行測量，包括流體、固體等。

（二）電阻式溫度傳感器

這類傳感器在實際的使用中具有較好的應用，電阻式溫度傳感器利用電阻隨著溫度變化而變化的特性制成，它的感溫材料一般是金屬材料，主要有鉑電阻和銅電阻等，其中鉑電阻的電阻溫度系數穩定、線性度好、測量范圍廣闊，可用于工業測溫元件。而銅電阻的成本低廉，工作時-50～150度范圍內，電阻值與溫度變化呈線性，在實際的應用中，往往使用在精度和范圍要求不大的場所。

（三）半導體熱敏電阻

這類溫度傳感器靈敏度高、體積小、使用便捷、具體應用方法簡單，在實際使用中具有較高的應用價值。

（四）非接觸式溫度傳感器

這類傳感器的優點也較為明顯，在具體的測量中，由于它不直接與介質接觸，則可以忽略介質的物理特性影響，進而保障傳感器的可靠性。非接觸式溫度傳感器受空間的局限性較小，能夠使用在一些特殊場所，如不易接觸物體溫度的測定。它還可用于一些不方便接觸測量的裝置，如旋轉設備，達到測定溫度的目的。但是它也存在一定的局限性，如容易受到環境干擾、不適合應用到長期監測項目中。

（五）數字溫度傳感器

這類傳感器是當前較為先進的傳感器類型，具有良好的控制能力，精度高，分辨率大，而且能夠實現數據信息的快速傳遞，可實現數據信息的長距離傳遞。而且，在具體的測控系統中，它占地面積小，效能可靠，且能耗相對較低，具有較高的利用價值。

二、溫度傳感器的工作原理

（一）熱電偶溫度傳感器

熱電偶溫度傳感器應用的是熱電效應原理：兩種不同的金屬a、b構成閉合回路，a、b我們稱之為熱電極。兩個接點的溫度不同，則回路中會產生電動勢。熱電偶由兩種材料不同的導體或半導體焊接而成，我們稱之為工作端或熱端。和導線相連的一端，我們稱之為自由端或冷端。在測量的過程中，工作端與待測物體相接處，儀表測量熱電偶的電動勢。為了使測量結果更為精確，在選擇電極材料時，要選擇物理、化學性質穩定、導電率高、電阻溫度系數小的金屬材料;熱電動勢與溫度之間要呈線性或函數關系。

（二）電阻式溫度傳感器

熱電偶溫度傳感器測量精確，且結構簡單，但是測量范圍有限，僅適用于測量500℃以上的溫度。如果要測量-200℃到500℃之間的物體，需要使用電阻式溫度傳感器。一般金屬，溫度升高1℃，電阻將增加0.4%到0.6%。電阻式溫度傳感器可以將物體溫度的變化轉化為阻值的變化，再將這種變化以電信號的形式傳送至儀表輸出。

（三）半導體熱敏電阻

半導體熱敏電阻由一些金屬氧化物采用不用的比例高溫燒結而成，可根據不同的需求制成不同形狀。相比于金屬熱電阻，半導體熱敏電阻具有很高的電阻溫度系數，靈敏度較高。體積小，熱容量很小，可以用來測量快速變化的溫度。

（四）非接觸式溫度傳感器

非接觸式溫度傳感器在使用的過程中與待測物體不接觸，可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。非接觸式溫度傳感器在原則上對被測物體溫度上限沒有限制，但是環境溫度嚴重影響測量精度。

（五）數字溫度傳感器

以DS18B20溫度傳感器為例，對其具體的測溫原理進行分析。如下圖所示為DS18B20溫度傳感器的測溫原理。在實際的工作中，低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，它的作用是產生脈沖信號，再將信號傳遞到計數器1中，高溫度系數振蕩器頻率變化，并發出脈沖信號，傳遞到計數器2中，計數門打開時，DS18B20溫度傳感器對低溫度系數振蕩器的時鐘脈沖后進行計數，實現具體的溫度測量。下圖中，減法計數器1工作時，接受到脈沖信號后，預置值發生變化，當變為0時，寄存器值將加1，之后減法計數器預置將再次變化，重新對脈沖信號進行計數，如此循環，當減法計數器2計數到0時，則停止累加，寄存器中的數值即為所測溫度。

DS18B20溫度傳感器的測溫原理

三、溫度傳感器的應用

（一）溫度傳感器在醫療行業的應用

溫度傳感器在醫療行業的應用屢見不鮮，例如菌苗、疫苗等生物制品在生產和運輸過程中，為確保其質量，要時刻對疫苗、菌苗周圍溫度進行監測。溫度傳感器在其儲存運輸過程中可以進行全自動檢測記錄，排除人為因素，提高數據的可靠性。

（二）溫度傳感器在工業中的應用

溫度傳感器是工業上最常見的檢測溫度的元件。常見的鍋爐加熱一般采用接觸式溫度傳感器，直接與被測對象接觸，沒有中間物質的影響，這種方式具有較高的測量精度。而且它具有較為廣泛的測量范圍，構造簡單，使用方便。

（三）溫度傳感器在汽車上的應用

溫度傳感器可以測量汽車燃油、發動機進氣、冷卻水等的溫度，可以將測量結果以電信號的形式輸送至ECU。在所有的汽油機電控系統中，ECU進行控制所必需的溫度參數是進氣溫度和冷卻水溫度，根據電控系統的控制需求不同，其余的溫度參數也不盡相同。在這個過程中，可以使用擴散電阻式、金屬芯式、半導體熱敏電阻式以及熱電偶式等多種溫度傳感器進行溫度測量。在目前汽車行業中，熱敏電阻式溫度傳感器在測量進氣溫度和冷卻水溫度中應用最為廣泛。

（四）溫度傳感器在生活中的應用

通過溫度傳感器可以對室內溫度進行調控，從而使我們生活在更舒適的環境中。尤其是在我們洗澡的時候，衛生間溫度尤為重要，通過氣體傳感器和溫度傳感器能夠很好地控制衛生間的環境。現在很多公共場所以及酒店都實現了溫度的自動調控。溫度傳感器同時也廣泛應用于家用電器，如微波爐、空調、電磁爐、洗衣機等。

（五）溫度傳感器在消防領域中的應用

建筑工程的消防系統是建筑工程的重要組成部分，能有效降低火災隱患，提高建筑的整體安全系數。溫度傳感器可應用到建筑消防報警系統中，實現對溫度信息的采集，并當溫度達到預定上限時，發出火災警報，促使消防系統迅速反應，實現對火災的控制。以某一建筑工程為例，該建筑工程的火災報警系統硬件部分包含：AT89C51、實時時鐘電路DS1302、鍵盤與顯示電路、RS485通信電路、MAX813L組成的看門狗、串行E2PROM存儲器電路等部分，為保障溫度信息的采集效果，該系統構建中選用多個溫度傳感器布置方式，并在不同的房間內設置相應的報警上限值，從而實現對不同房間溫度的實時顯示與報警。

（六）農業生產中的溫度傳感器應用

農業生產直接關系到人類日常生活所需蔬菜等作物。以蔬菜大棚為例，為保障大棚冬季蔬菜的正常生長，應加強對大棚的溫度控制，為蔬菜營造良好的生長環境。而且，為避免溫度過高或過低的情況，可借助溫度傳感器實現對大棚溫度信息的采集，并且設置溫度上限與下限，如果超出預設值，則能夠發出報警信息，這樣不僅利于大棚內部溫度控制的效果，還可達到控制能源消耗的目的，避免制暖能源的浪費，符合綠色生態的環保理念。

隨著社會的發展，不論是科學領域、工農業生產還是我們的日常生活，都離不開溫度傳感器。溫度傳感器的廣泛應用對促進經濟發展，推動社會進步都起著至關重要的作用。隨著科技的發展，溫度傳感器將朝著智能化、自動化、高精度、多功能的方向發展。

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