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温度传感器基本原理
投稿人：电子产品
2011-10-27
温度传感器应用广泛，涵盖食品加工、HVAC 环境控制、医疗器械、化学品处理和汽车引擎罩下监控（如冷却剂、进气管、气缸盖温度等）。 温度传感器用于测量热度，以确保某个过程在应对极端高温、危险或无法接触的测量点时，要么能在一定范围内保持稳定，使应用安全，要么满足一个强制性条件的要求。
温度传感器分为接触式和非接触式两大类。 接触式传感器包括与待测物体接触的热电偶和热敏电阻，非接触式传感器则通过测量热源产生的热辐射来确定其温度。 非接触式传感器进行远距离测量，通常用于危险环境。
温度传感器的类型
热电偶
热电偶 (TC) 是由两种不同的非相似金属组成的一对结。 其中，一个结代表参考温度，另一个结则代表待测温度。 当温差产生电压时热电偶工作（赛贝克效应），这个电压由温度决定并被转换成温度读数。 TC 成本低廉、性能可靠、坚固耐用且不需要电池，工作温度范围大，因此得以广泛使用。 热电偶在 2,750°C 高温下也能实现良好性能，甚至能在低至 –250° 的低温以及达到 3,000°C 的高温下短时工作。
热电偶的优势和面临的挑战包括：
- 测量自身温度。
- 被测物体的温度必须推测得出，用户必须保证它们之间没有热流动。
- 长时间使用易产生读数误差。 原因何在？ 是否潮湿或者热条件使导线绝缘失效，或者是否环境中存在化学品、核辐射或者机械干扰。
- 因为是电气导体，所以不能接触其它电源。
- 不在结上测量。
- 比电阻式温度计反应迅速。
热敏电阻类似热电偶，使用简单，是现成的低成本、自适应温度传感器。 然而，这些器件仅用于简单的温度测量，而非高温应用。 热敏电阻由半导体材料制成，其电阻率对温度尤其敏感。 热敏电阻的电阻值随着温度的升高而减小，因此温度变化时可预测电阻变化。 热敏电阻大量应用于浪涌电流限制器、温度传感器、自复位过流保护器和自调节热元件中。
热敏电阻与电阻式温度探测器 (RTD) 有两点不同：(1) RTD 采用纯金属材料；(2) 两者的温度响应方式不同。 根据 K 值的正负，热敏电阻分为两类（该函数引用了 Steinhart-Hart 热敏电阻方程，将热敏电阻的电阻值转换为开氏温度值）。 如 K 值为正，则电阻值随着温度升高而增大，该器件称作正温度系数 (PTC) 热敏电阻。 如 K 值为负，则电阻值随着温度升高而减小，该器件称作负温度系数 (NTC) 热敏电阻。
我们以 GE 的 MA 型系列热敏电阻组件为例来考察 NTC 热敏电阻，该系列专用于间歇或者连续监测患者体温。 这种应用要求设备具有可重复性和快速响应性能，尤其在用于婴幼儿以及全身麻醉期间。
MA300（图 1）利用了将患者皮肤作为体温指示器这一便利，能有效地对患者进行常规的连续体温监测。 所用的不锈钢外壳可用于重复应用和一次性应用，同时保持了最大的患者舒适度。 25°C 时的标称电阻值为 2,252 Ω、3,000 Ω、5,000 Ω 和 10,000 Ω。
图 1：GE 的 MA300 热敏电阻组件采用不锈钢和医疗级 PVC 铁氟龙绝缘材料制成。 （感谢 GE 提供数据）。
电阻式温度探测器
电阻式温度探测器 (RTD) 是采用了特殊电阻器的温度传感器，该电阻器的电阻值会随温度的变化而变化。 RTD 器件以其精确性和可重复性而著称，拥有非常宽的工作温度范围，其薄膜型为 -50°C 至 500°C，绕线型为 -200°C 至 850°C。
薄膜型 RTD 元件的基材上有一薄层铂。 器件制造时采用了一种能形成一个电路的形式，且该电路经调整后能产生一个特定的电阻值。 连接引线后进行涂层处理，以保护薄膜层和连接部分。 相比之下，绕线元件可做成线圈并封装在陶瓷或玻璃管中，或者直接缠绕到玻璃或陶瓷材料上。
我们以 Honeywell 的 TD 系列为例讨论 RTD，该系列可用于许多应用，如 HVAC（房间、风道、制冷剂温度）、电机过载保护、汽车（空气或油温）。 在 TD 系列中，TD4A 液态温度传感器采用双端子螺纹式阳极氧化铝外壳。 这种环境密封式液态温度传感器旨在简化安装，如安装在卡车一侧，但不是完全浸入式。 时间参数相同时，静止在空气中的典型响应时间为 4 分钟，静止在水中时则为 15 秒。
图 2：TD 系列：电阻值温度变化曲线。 （感谢 Honeywell 提供数据）
TD 系列温度传感器对温度变化响应迅速（图 2），在 20C° 时的准确度为 ±0.7C°，并且不需要校准即可完全互换使用。 该系列属于 RTD（电阻式温度探测器）传感器，灵敏度为 8 Ω/°C 并提供固有的近似线性输出。
RTD 比热电偶拥有更优的准确度以及良好的互换性。 该系列还具有长期稳定性。 这些器件凭借如此之强的耐高温能力，通常用于工业装置中。 采用铂金属的 RTD 稳定性更强，不会被腐蚀或氧化。
红外线传感器
红外线传感器用于测量 -70°C 至 1,000°C 范围内的表面温度。 这类器件能将物体发出的 0.7 um 至 20 um 波长的能量转换为电气信号，经过环境温度补偿后电气信号被转换为可以显示的温度信号。
这些器件在下列情况下用于温度测量：
- 无法使用热电偶或者探头。
- 如果目标物体在移动（如滚筒、移动的机械、输送皮带）。
- 如果目标物体处于真空环境
- 如果存在高电压等危险。
- 测量距离大。
- 温度过高不适于采用接触式传感器。
- 需要极快的温度响应。
TMP006（图 3）是 Texas Instruments 最近推出的一款采用芯片级封装的红外线热电堆传感器。 该器件属于非接触式传感器，采用热电堆来吸收被测物体发出的红外能量，并利用相应的热电堆电压变化来确定被测物体温度。
图 3：TMP006 的柱状图。 （感谢 Texas Instruments 提供数据）
红外传感器的电压范围适合 –40°C 至 125°C 温度区间，能够适应各种不同的应用。 该器件具有低功耗和低工作电压，适合电池供电型应用。 芯片级形式的低封装高度允许采用标准的大批量装配方法，并适用于与被测物体之间的可用间距受限的场合。
使用接触或者非接触传感器测量温度时，需要做出基本假设和推断。 因此，仔细阅读产品规格书非常重要，此外，还必须充分了解各种影响因素，这样才能确信所显示的温度就是实际温度。
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