淺談溫度傳感器原理及其應(yīng)用

金巖 趙瑞芳 陳開府

[摘? ? ? ? ? ?要]? 溫度傳感器是利用半導(dǎo)體、金屬等材料的熱敏特性將溫度轉(zhuǎn)換為輸出信號的傳感器。溫度傳感器是開發(fā)早、應(yīng)用廣泛的一種傳感器，在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生活中起著重要作用。對溫度傳感器的工作原理及其應(yīng)用展開論述。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 溫度傳感器;溫度測量;傳感器應(yīng)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(nóng)業(yè)與電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)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(jù)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(fēng)速、流速和流量測定以及微波功率測量等，被廣泛應(yīng)用于熱水器、空調(diào)、電冰箱彩電、電腦顯示器等家用電器及汽車、軍事等領(lǐng)域。隨著溫控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)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(jù)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(dǎo)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(fā)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(xiàn)結(jié)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(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部沒有復(fù)雜的構(gòu)件，它的溫度測量精度較高，可用于多種環(huán)境中。（2）測量范圍很廣，且在實際的工作中不易受到外界環(huán)境的干擾，仍舊能夠保持良好的工作狀態(tài)。（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(xiàn)長距離傳輸和信號轉(zhuǎn)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(yīng)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(shù)穩(wěn)定、線性度好、測量范圍廣闊，可用于工業(yè)測溫元件。而銅電阻的成本低廉，工作時-50～150度范圍內(nèi)，電阻值與溫度變化呈線性，在實際的應(yīng)用中，往往使用在精度和范圍要求不大的場所。

（三）半導(dǎo)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(yīng)用方法簡單，在實際使用中具有較高的應(yīng)用價值。

（四）非接觸式溫度傳感器

這類傳感器的優(yōu)點也較為明顯，在具體的測量中，由于它不直接與介質(zhì)接觸，則可以忽略介質(zhì)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(zhuǎn)設(shè)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(huán)境干擾、不適合應(yīng)用到長期監(jiān)測項目中。

（五）數(shù)字溫度傳感器

這類傳感器是當(dāng)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?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速傳遞，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的長距離傳遞。而且，在具體的測控系統(tǒng)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(yīng)用的是熱電效應(yīng)原理：兩種不同的金屬a、b構(gòu)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(chǎn)生電動勢。熱電偶由兩種材料不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接而成，我們稱之為工作端或熱端。和導(dǎo)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(jié)果更為精確，在選擇電極材料時，要選擇物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電率高、電阻溫度系數(shù)小的金屬材料;熱電動勢與溫度之間要呈線性或函數(shù)關(guān)系。

（二）電阻式溫度傳感器

熱電偶溫度傳感器測量精確，且結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(dǎo)體熱敏電阻

半導(dǎo)體熱敏電阻由一些金屬氧化物采用不用的比例高溫?zé)Y(jié)而成，可根據(jù)不同的需求制成不同形狀。相比于金屬熱電阻，半導(dǎo)體熱敏電阻具有很高的電阻溫度系數(shù)，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(huán)境溫度嚴重影響測量精度。

（五）數(shù)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(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，它的作用是產(chǎn)生脈沖信號，再將信號傳遞到計數(shù)器1中，高溫度系數(shù)振蕩器頻率變化，并發(fā)出脈沖信號，傳遞到計數(shù)器2中，計數(shù)門打開時，DS18B20溫度傳感器對低溫度系數(shù)振蕩器的時鐘脈沖后進行計數(shù)，實現(xiàn)具體的溫度測量。下圖中，減法計數(shù)器1工作時，接受到脈沖信號后，預(yù)置值發(fā)生變化，當(dāng)變?yōu)?時，寄存器值將加1，之后減法計數(shù)器預(yù)置將再次變化，重新對脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)，當(dāng)減法計數(shù)器2計數(shù)到0時，則停止累加，寄存器中的數(shù)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(yīng)用

（一）溫度傳感器在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用

溫度傳感器在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用屢見不鮮，例如菌苗、疫苗等生物制品在生產(chǎn)和運輸過程中，為確保其質(zhì)量，要時刻對疫苗、菌苗周圍溫度進行監(jiān)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(shù)據(jù)的可靠性。

（二）溫度傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用

溫度傳感器是工業(yè)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(zhì)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(gòu)造簡單，使用方便。

（三）溫度傳感器在汽車上的應(yīng)用

溫度傳感器可以測量汽車燃油、發(fā)動機進氣、冷卻水等的溫度，可以將測量結(jié)果以電信號的形式輸送至ECU。在所有的汽油機電控系統(tǒng)中，ECU進行控制所必需的溫度參數(shù)是進氣溫度和冷卻水溫度，根據(jù)電控系統(tǒng)的控制需求不同，其余的溫度參數(shù)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(dǎo)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(yè)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(yīng)用最為廣泛。

（四）溫度傳感器在生活中的應(yīng)用

通過溫度傳感器可以對室內(nèi)溫度進行調(diào)控，從而使我們生活在更舒適的環(huán)境中。尤其是在我們洗澡的時候，衛(wèi)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(wèi)生間的環(huán)境。現(xiàn)在很多公共場所以及酒店都實現(xiàn)了溫度的自動調(diào)控。溫度傳感器同時也廣泛應(yīng)用于家用電器，如微波爐、空調(diào)、電磁爐、洗衣機等。

（五）溫度傳感器在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用

建筑工程的消防系統(tǒng)是建筑工程的重要組成部分，能有效降低火災(zāi)隱患，提高建筑的整體安全系數(shù)。溫度傳感器可應(yīng)用到建筑消防報警系統(tǒng)中，實現(xiàn)對溫度信息的采集，并當(dāng)溫度達到預(yù)定上限時，發(fā)出火災(zāi)警報，促使消防系統(tǒng)迅速反應(yīng)，實現(xiàn)對火災(zāi)的控制。以某一建筑工程為例，該建筑工程的火災(zāi)報警系統(tǒng)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(tǒng)構(gòu)建中選用多個溫度傳感器布置方式，并在不同的房間內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的報警上限值，從而實現(xiàn)對不同房間溫度的實時顯示與報警。

（六）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度傳感器應(yīng)用

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接關(guān)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(yīng)加強對大棚的溫度控制，為蔬菜營造良好的生長環(huán)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(xiàn)對大棚溫度信息的采集，并且設(shè)置溫度上限與下限，如果超出預(yù)設(shè)值，則能夠發(fā)出報警信息，這樣不僅利于大棚內(nèi)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(tài)的環(huán)保理念。

隨著社會的發(fā)展，不論是科學(xué)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(yīng)用對促進經(jīng)濟發(fā)展，推動社會進步都起著至關(guān)重要的作用。隨著科技的發(fā)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(fā)展。

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