溫度傳感器的設計與測試

于洋 張艷華

(北京強度環境研究所 北京 100076)

隨著科技的飛速發展，溫度傳感器的應用范圍越來越廣泛，在日常生活隨處可見，給人們的生活和工業生產帶來了很大的方便。溫度傳感器把與半導體相關的材料和電路屬性有機結合在一起，從而達到精準計量周圍環境溫度的目的。溫度傳感器給我們的生活帶來了很多便利，是人們生活中的必需產品，其應用范圍涉及很多領域，如家用電器、電子產品、各種汽車等。溫度傳感器能高效地測量各種物體的溫度，防止由于電器過熱而導致電線短路的現象發生。該文對溫度傳感器的設計與測試問題進行了簡要分析。

1 溫度傳感器概述

1.1 溫度傳感器定義與目的

溫度傳感器廣泛運用在人們的生活之中，特別是自從新冠疫情以來，尤其需要在各大公共場所如地鐵站、商場這些位置進出口安裝溫度傳感器，來實時檢測進出行人的身體溫度。精確的測量可以避免疫情傳播的風險，及時發出警報，保護進出行人的生命健康安全。此外，單獨的溫度計等產品也是家中常備的必需品，比如家中的火警報警系統，最重要的就是溫度、煙霧報警器，一旦溫度超過閾值，就會發出警報，及時保護生命財產安全。溫度傳感器的定義是，它能感受到物體或者環境的溫度，并且將之轉化成可用輸出信息的一種傳感器，通常溫度傳感器的制作是結合NTC 的阻值隨著溫度的變化而輸出信號，有效地將物理量成功地轉化為電學量，從而精準地對溫度進行測量的一個器件。在科技快速發展的今天，溫度傳感器的技術已經逐漸被大家所熟知，并且逐漸普及到千家萬戶。目前，工業、農業、航空航天、醫藥、交通、石油化工等，各行各業和人們的生活都離不開溫度傳感器[1]。

溫度傳感器可以測量和控制某種物體溫度，還能測定風速、流速，測量溫度、微波的功率和紫外光、紅外光，不僅如此，溫度傳感器還同時應用于冰箱、電視、熱水器、空調、電腦顯示器、廚房里的設備、汽車等眾多領域。現在眾多的產品中都會應用溫度傳感器這個高新技術，就是為了用于預防電線短路的現象發生。由此可見，溫度傳感器對我們的生活非常重要。近幾年，隨著科學領域、汽車領域、電子行業的飛速發展，也促使溫度傳感器的應用也在不斷增長[2]。

1.2 常見溫度傳感器

目前，常用的溫度傳感器有鉑電阻溫度傳感器、PN 結溫度傳感器、集成溫度傳感器等，根據傳感器的需求和所處環境來選用不同的溫度傳感器。

鉑電阻溫度傳感器是常見的傳感器，其功能來源于鉑電阻的性質。一般金屬導體將會隨溫度的變化而導致電阻值波動，由此可以依照這個原理檢測電阻值和環境溫度的關系。鉑電阻溫度傳感器的原理就是通過檢測鉑電阻變化而檢測環境溫度。

這樣的原理也說明，如果使用金屬導體制備溫度傳感器，需求金屬導體的電阻率高、熱容量小、反應速度快。這類金屬有如鐵、鎳、鉑、銅等，然而由于鐵、鎳穩定性較差，難以提純，銅、鉑性能較好，兩者相比之下，鉑的相關性質更適用溫度傳感器所面臨的環境，由此，鉑電阻制備溫度傳感器十分普遍。

在0 ℃～630.74 ℃映射關系為

在-200 ℃～0 ℃映射關系為

而PN結溫度傳感器原理來源于晶體管的PN結的結電壓可以和被測環境溫度呈現出近似線性變化的特性，由此利用晶體管制備的溫度傳感器就可以完成溫度測量。在給定電流模式下，PN結的正向電壓和環境溫度存在良好線性關系。在給定電流博士下，其加載正向電壓UF大于kbT/e時期對應正向電流IF與對應正向電壓UF產生映射關系，由此可以分析得到被測溫度[3]。

集成溫度傳感器是集成輔助電路和溫敏晶體管在集成化溫度傳感器。這種溫度傳感器類似于集成電路，性能比較穩定，具備較為理想的線性關系[4]。

2 溫度傳感器的設計目標

2.1 設計結構

溫度傳感器是一個溫度傳感元件，它的信號輸出就是由單片機通過對數據進行處理而完成的，溫度值是通過數碼管來顯示的。提供的溫度必須是通過外接5～12 V的直流電源來顯示，范圍控制在-55 ℃～125 ℃之內，精準度必須達到1 ℃，數碼管才能顯示整數的溫度。溫度傳感器具有聲光報警功能，如果將報警溫度設置成30 ℃，當溫度在30 ℃以內時就會處于正常工作的狀態；反之，一旦溫度達到了30 ℃，二極管就會發出光亮，同時也會聽見聲響，那是蜂鳴器發出的報警聲音。如果在工作中不需要控制溫度，就可以提前設置，將報警的溫度適當調高。如果工作中需要控制一小部分的溫度，那么就可以利用引線引出溫度傳感器，同時要控制好距離，不宜過大，還要注意絕緣的問題，防止觸電[5]。由設計理念可見溫度測量系統會具有采集系統、顯示處理系統、報警系統和測溫傳感器四大模塊。測得的溫度信號經由傳輸線路輸送到微處理器，轉化為數字信號輸送到計算器進行綜合分析處理。

2.2 制作要求

在制作的過程中，有3個需要注意的問題。其中一個問題是要注意“℃”攝氏度符號是否接反，在焊接過程中要特別注意攝氏度符號的數碼管要倒著放，防止反方向現象的發生。另一個問題是為了節省空間，穩壓塊最好要貼板安裝，這樣不僅空間省下來了，散熱的效果也非常好。在常溫狀態下，穩壓塊的溫度一般會保持正常。最后一個問題是電容、三極管以及發光二極管一定不能接反。如果接反了其功能就無法得以展示，同時焊接的過程中焊錫不能太多，避免短路現象的發生[6]。

2.3 安裝調試

調試是一個很關鍵的步驟。在調試之前，一定要再次檢查電路以保證焊接準確，每個引腳是否有短路的現象，同時調試時要保證電路板處于常溫的狀態下工作，確保所有的工作準確無誤，才可以連接電源進行調試工作。

3 電路工作原理及介紹

3.1 溫度傳感器的工作原理

圖1是熱敏電阻溫度傳感器的工作電路圖。由圖1 可見Rt是溫度敏感電阻元器件，當溫度變化時將會改變Rt的阻值，原理上，通過三端穩壓源LM317搭建的恒流源給Rt激勵會輸出隨溫度變化的電壓信號，再通過精密儀用放大器INA114 將檢測電壓信號放大至標準電壓值Uo。后端采集設備將Uo轉化為數字化信號，數字化信號將以數據的形式記錄在數據庫中，并且將其轉化為多種顯示。

圖1 溫度傳感器工作原理圖

目前，從應用角度來說，主流溫度傳感器分為非接觸式和接觸式溫度傳感器，而根據材質劃分可以劃分為熱電阻和熱電偶兩種，目前我國的技術進步發展較大，溫度傳感器的體型進一步縮小、功能進一步完善、性能進一步強大，方便使用和攜帶。這樣不僅有利于各個領域的應用，同時也給人們的生活帶來很多方便。而對于新冠肺炎疫情肆虐情況下，運用溫度傳感器可以一定程度上避免疫情傳播風險，目前市場的前景較大。

3.2 接觸式溫度傳感器

接觸式溫度傳感器檢測的一端要與被檢測的對象有直接性接觸，又被稱作溫度計，溫度計遵循的是對流與傳導構成熱度平衡。具備較強精確性和時效性，可以快速測量被測物體溫度，尤其是局部溫度測量中，顯示出溫度分布情況。不過對于熱容量較低的對象，則容易出現檢測誤差。綜合使用的材料以及原理來講，溫度計可以劃分為液體型、壓力型、金屬型，廣泛應用在商業以及工農業領域。在人們的日常生活中也會使用體溫計來測量自己的溫度。

3.3 非接觸式溫度傳感器

非接觸式溫度傳感器與接觸式溫度傳感器完全相反，它與被檢測的對象沒有直接性接觸。它的好處就在于可以用來測量熱容量很小以及正在運動的物體，甚至是溫度變化特別快的對象也能快速地顯示它的表面溫度。由于非接觸式溫度傳感器測溫元件不接觸被測物體，也就可以用于公共交通等公共基礎設施的測溫使用中。尤其是在新冠肺炎疫情廣泛傳播的背景下，不接觸人體而測量體溫，可以避免病毒潛在傳播可能，由此，目前非接觸式溫度傳感器其實運用極為廣泛，遍布我國。其特點在于可以測量運動狀態小目標或者熱容量變化迅速或者較小的對象，可以測量溫度場分布，不過會受到環境溫度的較大影響，在實際使用時，需要穩定環境來確保測量精確性。非接觸式溫度傳感器具備較高的檢測效率，環境因素影響較小，可以實現小空間范圍內的精確測量，這種方式適用性較強。由此，在公共設施、地鐵站、商場等公共場所出入口都會使用非接觸式溫度傳感器檢測行人人體溫度，來避免疫情傳播風險。

3.4 熱電偶傳感器

熱電偶主要指的是兩個具有差異性的導體或者半導體，其組合起來之后會形成熱電偶結構。在檢測的過程中會形成可循環的回路，在物體兩側連接熱電偶回路之后會產生不同的節點溫度，熱端的溫度為T，冷端的溫度為TO。若符合這一原理回路會產生，電流運作過程中會出現熱電動勢，它會隨著溫度的變化而產生電動勢，因此被稱為塞貝克效應。

熱電偶溫度傳感器優勢在于其結構較為簡單，焊接不同材料的半導體或者導體，應用較為廣泛，讓兩種導體形成閉合回路，回路中產生電動勢，觀測熱電動勢即可分析得到物體溫度。由此,為了確保測量結果的精確，熱電偶溫度傳感器制備需要嚴格要求熱點及材料，需要具備穩定性較高的化學、物理性質，其電阻溫度系數要小，導電率要高，需求較大熱電動勢且熱電動勢和溫度之間存在明顯線性變化關系，確保具備復現性。

3.5 熱電阻傳感器

熱電偶傳感器通過熱電動勢測量溫度同時也就限制了測量溫度的范圍，對于-200 ℃～500 ℃的物體，熱電阻攝氏度可以適用。其工作原理是通過半導體或者導體的電阻值和溫度變化之間的線性關系來測量溫度。一般常見的金屬材料在溫度每上升1 ℃就會增加0.4%～0.6%的電阻值。這種線性關系就可以完成對環境溫度的測量。熱電阻傳感器以熱敏電阻的電阻值的具體變化情況來檢測周邊溫度的變化情況，根據測量的阻值便可以計算出被測物體的實際溫度。熱電阻傳感器能夠檢測最低溫度以及最高溫度的范圍通常在-200 ℃～500 ℃。傳感器中所使用的零件主要為金屬，在材料選擇方面需要迎合以下幾點原則：（1）電阻材料的電阻值與物體溫度之間應保持和諧的線性關系且保持長期穩定；（2）電阻材料的電阻率越高，其金屬配件的熱容量越小，溫度檢測響應越快；（3）材料性價比高，同時價格還很合理；（4）根據要測量的溫度范圍選定材料，確保物理特性更加穩定。

4 溫度傳感器的測試方法

溫度傳感器的性能檢測方法要綜合傳感器實際應用場景進行分析，例如檢測發動機冷卻液溫度的傳感器，那么在測試其性能過程中不能使用明火進行測試，不然傳感器就會嚴重被損害。傳感器檢測時無論要拆哪個部件首先要確保斷電，否則拆卸部件可能會導致傳感器內部電流過大或電壓上升，從而損害傳感器。

通過鉑電阻制備的溫度傳感器需要先對鉑電阻熱響應時間進行測試，首先將帶有初始溫度的鉑電阻放入恒定溫度的恒溫槽，計算初始溫度達到介質溫度之差的63.2%所用時間，記錄為時間常數。設置10 s 采樣時間，每秒測試，記錄時間常數。

比如：對NTC 負溫度系數熱敏電阻熱敏性能測試時需要進行R-T 特性測試。由于一定的溫度范圍內，NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度升高將會呈現非線性下降的趨勢，也就是在溫度上升過程中，其電阻阻值將會呈現變化趨勢漸緩的情況，由此無法準確測量溫度。對于此類非線性溫度和阻值的對應關系需要通過大量實驗研究其參數，經由回歸方法擬合曲線關系來得到溫度和阻值的映射關系。

表1 傳感器電阻值

以NTC 熱敏電阻為例，其R-T 曲線的精確直接關系到性能，由此電阻測量是極為重要的環節。較為經典的方法如直流電橋法和恒電流法。直流電橋法是通過4個電阻，其中被測電阻組成電橋，確定電阻調節讓電橋平衡，經由電氣分壓原理集散被測電阻。恒電流法是一種對照實驗方法，將兩個電阻串聯在閉合電路中，使用電壓表獲得實時兩端電壓數據，調節比照實驗電阻器，使得電壓表數值相同，也就測定了被測電阻。

4.1 水溫傳感器的檢測

溫度傳感器應用在水溫檢測的過程中需要拔下導線連接器，若水溫不同，需要利用電阻表進行檢測。檢測期間需要確保電阻值符合如下表所示的數據。在傳感器安裝期間需要及時連接導線，保證點火開關處于ON的狀態，THW與E2兩端的電壓值應為0.1～1.0 V并且水溫處于80 ℃的情況下。如果測量時沒有顯示電壓，就需要進一步系統地檢查。

4.2 進氣溫度傳感器的檢測

進氣溫度傳感器的檢測方法和上文所論述的水溫傳感器方式相同，在檢查時需要及時地切斷傳感器電源，然后保證點火開關處于ON 的狀態，分析THW 與E2 兩端子是否存在電壓，電壓值的范圍是0.5～3.4 V，同時水溫要處于20 ℃的情況下。如果測量時沒有顯示電壓，同樣也需要進一步檢查，找出故障的原因。

4.3 冷卻液溫度傳感器和進氣溫度傳感器的檢測

在進行檢測時需要把傳感器安裝在發動機上，準備一個電壓表接在傳感器的接線端處，根據冷卻液的不同溫度，電壓表會有所顯示。偶爾也會出現內部電阻值的情況，這種情況只有在ECU與發動機冷卻液溫度傳感器連接時，并且溫度達到49 ℃才有可能出現。電阻值的變化會影響著兩極間的壓陣也發生變化。關于壓陣變化這一問題，廠家在生產時就會有詳細的說明。另外，在傳感器使用期間，其計算機系統可能會出現部分波動情況，這些情況屬于正常現象，只需控制在允許范圍內。同時若進氣溫度傳感器安裝在發動機位置，需要在兩個接線端中間連接電壓表，從而顯示溫度數值，其數值標準往往如表2所示。總體來講，在溫度傳感器設計以及性能檢驗的過程中，要嚴格按照既有的標準進行詳細分析，同時結合不同的使用場景以及使用需求進行調整，這樣才可以確保溫度傳感器能夠真正滿足實際的檢測需要。

表2 溫度傳感器輸出

5 結語

總之，隨著我國科技的快速發展和城市化步伐的加快，溫度傳感器將應用到各行各業、各個領域中。溫度傳感器是最常用的傳感器之一，在國民經濟領域的各個方面具有自己存在的價值，同時因為它的外形很小，更方便應用于生產實踐中，也為人們的生活提供了便利。尤其在新冠肺炎疫情肆虐的情況下，精確測量使用公共設施的行人的人體溫度可以避免病毒傳播的風險，為人民群眾的生命健康安全帶來保障。目前對于非接觸式溫度傳感器的研究是重點研究方向，前景較大，如何提高精確性，精確測量，排除環境干擾因素等依舊是研究的難點。