發布日期：2022-10-09 點擊率：145
原標題：常用溫度傳感器測溫原理總結
如果您要進行可靠的溫度測量，就需要為您的應用選擇正確的溫度傳感器。熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻(RTD)和溫度IC是測試中最常用的溫度傳感器。
圖1 各種流行溫度傳感器的優點和缺點
熱電偶
測溫原理:
兩種不同成分的導體（稱為熱電偶絲或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電動勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表連接，顯示出熱電偶所產生的熱電動勢，通過查詢熱電偶分度表，即可得到被測介質溫度。
熱電偶是溫度測量中最常用的傳感器。其主要好處是寬溫度范圍和適應各種大氣環境，而且結實、價低，無需供電，尤其最便宜。熱電偶由在一端連接的兩條不同金屬線(金屬A和金屬B)構成，如圖2所示。當熱電偶一端受熱時，熱電偶電路中就有電勢差?？捎脺y量的電勢差來計算溫度。
圖 2 熱偶電路圖(左)和熱偶電壓— 溫度曲線例子(右)
由于電壓和溫度是非線性關系，因此需要為參考溫度(Tref)作第二次測量，并利用測試設備軟件和∕或硬件在儀器內部處理電壓—溫度變換，以最終獲得熱偶溫度(Tx)。AgilentA和A數據采集器均有內置的測量了運算能力。
簡而言之，熱偶是最簡單和最通用的溫度傳感器，但熱偶并不適合高精度的應用。
常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。
熱敏電阻
（1） 測溫原理:
熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。
目前主要有金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。
金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關系式表示，即：
式中，Rt為溫度t時的阻值；Rt0為溫度t0（通常t0=0℃）時對應電阻值；α為溫度系數。半導體熱敏電阻的阻值和溫度關系為：
式中Rt為溫度為t時的阻值；A、B取決于半導體材料的結構的常數。
熱敏電阻是用半導體材料，大多為負溫度系數，即阻值隨溫度增加而降低。溫度變化會造成大的阻值改變，因此它是最靈敏的溫度傳感器。但熱敏電阻的線性度極差，并且與生產工藝有很大關系。制造商給不出標準化的熱敏電阻曲線。
圖3 熱敏電阻電路圖
熱敏電阻體積非常小，對溫度變化的響應也快。但熱敏電阻需要使用電流源，小尺寸也使它對自熱誤差極為敏感。
熱敏電阻在兩條線上測量的是絕對溫度， 有較好的精度，但它比熱偶貴，可測溫度范圍也小于熱偶。一種常用熱敏電阻在25℃時的阻值為5kΩ，每1℃的溫度改變造成200Ω的電阻變化。注意10Ω的引線電阻僅造成可忽略的0.05℃誤差。它非常適合需要進行快速和靈敏溫度測量的電流控制應用。尺寸小對于有空間要求的應用是有利的，但必須注意防止自熱誤差。
測量技巧
熱敏電阻體積小是優點，它能很快穩定，不會造成熱負載。不過也因此很不結實，大電流會造成自熱。由于熱敏電阻是一種電阻性器件，任何電流源都會在其上因功率而造成發熱。功率等于電流平方與電阻的積。因此要使用小的電流源。如果熱敏電阻暴露在高熱中，將導致永久性的損壞。
鉑電阻溫度傳感器
與熱敏電阻相似，鉑電阻溫度傳感器(RTD)是用鉑制成的熱敏感電阻。當通過測量電壓計算RTD溫度時，數字萬用表用已知電流源測量該電流源所產生的電壓。這一電壓為兩條引線(Vlead)上的壓降加RTD上的電壓(Vtemp)。例如，常用RTD的電阻為100Ω，每1℃僅產生0.385Ω的電阻變化。如果每條引線有10Ω電阻，就將造成26℃的測量誤差，這是不可接受的。所以應對RTD作4線歐姆測量。
圖4 RTD需要用4線測量
RTD是最精確和最穩定的溫度傳感器，它的線性度優于熱偶和熱敏電阻。但RTD是最貴的溫度傳感器。因此RTD最適合對精度有嚴格要求，而速度和價格不太關鍵的應用領域。
測量技巧
使用5mA電流源會因自熱造成2.5℃的溫度測量誤差。因此把自熱誤差減到最小是極為重要的。
4線測量更為精確，但需要兩倍的引線和兩倍的開關。
溫度IC
溫度集成電路(IC)是一種數字溫度傳感器，它有非常線性的電壓∕電流—溫度關系。有些IC傳感器甚至有代表溫度、并能被微處理器直接讀出的數字輸出形式。
圖6 電流傳感器(左)和電壓傳感器(右)
有兩類具有如下溫度關系的溫度IC：
電壓IC: 10 mV/K。
電流IC: 1μA/K。
溫度IC的輸出是非常線性的電壓∕℃。實際產生的是電壓∕Kelvin，因此室溫時的1℃輸出約為3V。溫度IC需要有外電源。通常溫度IC是嵌入在電路中而不用于探測。
溫度IC缺點是溫度范圍非常有限，也存在同樣的自熱、不堅固和需要外電源的問題?？傊瑴囟菼C提供產生正比于溫度的易讀讀數方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。
測量技巧
溫度IC 體積較大，因此它變化慢，并可能造成熱負載。
把溫度IC用于接近室溫的場合。這是它最流行的應用。雖然測量范圍有限，但也能測量150℃的高溫。
實例
LM系列是美國國家半導體公司（NS）生產的一種高精度易校正的集成溫度傳感器，是電壓輸出型溫度傳感器，工作特性類似于齊納穩壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K，具有小于1Ω的動態阻抗，工作電流范圍從400μA到5mA，精度為1℃，LM135的溫度范圍為-55℃～+150℃，LM235的溫度范圍為-40℃～+125℃，LM335為-40℃~+100℃。封裝形式有TO-46、TO-92、SO-8。該器件廣泛應用于溫度測量、溫差測量以及溫度補償系統中。詳細信息見LM135，235，335.pdf。
AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，測溫范圍為-55℃～+150℃，輸出電流為223μA~423μA，輸出電流變化1μA相當于溫度變化1℃，最大非線性誤差為±0.3℃，響應時間僅為20μs，重復性誤差低至±0.05℃，功耗約為2mW,輸出電流信號的傳輸距離可達到1km以上，作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差,適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。詳細信息見AD590.pdf。
數字式溫度傳感器：
（1） 原理：
將敏感元件、A/D轉換單元、存儲器等集成在一個芯片上，直接輸出反應被測溫度的數字信號，使用方便，但響應速度較慢（100ms數量級）。
（2） 實例：
DS18B20是美國Dallas半導體公司生產的世界上第一片支持“一線總線”
接口的數字式溫度傳感器，供電電壓范圍為3～5.5V，測溫范圍為-55℃～+125℃，可編程的9～12位分辨率，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，出廠設置默認為12位，在12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字。
經驗豐富的電路板設計人員將根據最終產品要求來使用最合適的解決方案。表1展示了每種溫度傳感器的相對優勢/劣勢。
非接觸式溫度傳感器
傳感器型號
測溫范圍
典型應用
OTP-538F2S
-40～+500℃
醫學（耳溫機），家庭設施（吹風機等）
TS105-1
-20～100℃（精確度： -0.45±0.08 %/K）
紅外測溫儀，非接觸溫度測量，移動物體溫度測量
TS105-2
-20～100℃
溫度計，微波爐，室內空調，高溫計，汽車環境控制
TS118-1
跟處理電路相關（普通-20～300℃）
無接觸溫度測量，移動物體溫度測量，溫度控制，火災報警
TS118-3
跟處理電路相關（普通-20～300℃）
無接觸溫度測量，溫度控制，火災報警，氣候控制系統
TSEV01
0～300℃（精確度：0.1℃）
家庭，醫療，汽車，安全，工業
非接觸式的溫度傳感器的優點：
1、由于和被測量介質不直接發生接觸，所以不用考慮被接觸介質的一些自身物理特性，例如：粘附、腐蝕、磨損等等都不會對傳感器造成損害。而接觸搜索式的就要面臨這些問題的額外解決。
2、受空間局限性較小。對于一些距離較遠不易接觸到的被測量目標可以遠距離測量溫度。
3、對于一些不方便接觸測量的目標可以實現測量，例如旋轉機械、運動中的目標等等
非接觸式溫度傳感器缺點：
1、容易受到環境因素干擾，例如熱輻射
2、不容易實現對目標的長期連續測量。
MLX遠紅外線傳感器采用非接觸溫度測量技術，是一種高性價比的熱成像解決方案。該16 x 4遠紅外熱電堆傳感器陣列可覆蓋-20°C～300°C的溫度范圍，能生成目標區域的實時熱值圖譜。有了它，就可以不用單點傳感器或昂貴的微測熱輻射計來掃描目標區域了。
MLX遠紅外線傳感器可即獲取64幅二維像素圖片，大大簡化集成熱成像系統，從而將價格維持在大批量、低成本應用領域能夠接受的范圍。該陣列在每個像素中集成了一個放大器和一個模擬數字轉換器，可提供0.5-64赫茲的幀速率。在0°C －50°C溫度范圍內使用時可保持±1.5°C的精確度。有60o x 15o和40o x 10o兩個視場可供選擇。MLX遠紅外線傳感器擁有高速I2C兼容數字界面，采用的是帶控制單元的同步化觸發模式，可以單獨使用，也可以與多臺設備組合構成陣列，獲得更高的圖像分辨率。
遠紅外線成像正成為汽車行業非常重要的一項技術，能夠提高汽車的安全性。MLX遠紅外線傳感器可用于車輛的行人探測、近距離盲點探測和乘坐率分類等領域。這種傳感器陣列提供的多點精確熱圖像還能幫助智能樓宇控制系統進行溫度測量和入住率統計。在家用環境中，該陣列能夠使微波爐和其它傳統爐灶更加智能化。人們對能源效率的關注推動了市場對熱成像設備的需求不斷上升。熱成像設備可以探測房間的熱損耗情況，并以圖像形式指明需要改進的地方。MLX遠紅外線傳感器非常適宜于家用和商用低分辨率紅外熱像儀，能滿足上述各任務的需要。在商用環境中，該傳感器為智能程序控制和熱檢測開辟了新的機會。最后，它還能用作智能火災探測傳感器，可幫助消防人員和其他應急服務人員發現熱點、探明疏散路線和隱蔽火源。返回搜狐，查看更多
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最近，元宇宙概念由于Facebook加入，炒的更加火熱。元宇宙（metaverse）一詞，誕生于1992年的科幻小說《雪崩》，小說描繪了一個龐大的虛擬現實世界，在這里，人們用數字化身來控制，并相互競爭以提高自己的地位，到現在看來，描述的還是超前的未來世界。 元宇宙是在擴展現實（XR）、區塊鏈、云計算、數字孿生等新技術下的概念具化。
介紹四種類型的溫度傳感器(電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電偶、熱敏電阻器以及具有數字和模擬接口的集成電路(IC)傳感器)并討論每種傳感器的優點與缺點。
從系統級的立足點來看，溫度傳感器是否適合您的應用將取決于所需的溫度范圍、準確度、線性度、解決方案成本、功能、功耗、解決方案尺寸、安裝法(表面貼裝法與通孔插裝法以及電路板外安裝法)還有必要支持電路的易設計程度。
RTD當一邊測量RTD的電阻一邊改變它的溫度時，響應幾乎是線性的，表現得像一個電阻器。如圖1所示，該RTD的電阻曲線并非完全呈線性，而是有極度的偏差(示出了一條用作參考的直線)——但卻是高度可預測并可復驗的。為了對這種輕微的非線性進行補償，大多數設計人員都會對測得的電阻值進行數字化處理，并使用微控制器內的查找表以便應用校正因子。這種寬溫度范圍(大約-250℃至+750℃)內的可復驗性和穩定性使RTD在高精度應用(包括在管道和大容器內測量液體或氣體的溫度)中極為有用。
圖1：RTD的電阻與溫度
用來處理RTD模擬信號的電路的復雜度基本上根據應用而變化。放大器和模數轉換器(ADC)等組件(這些組件會產生它們自己的誤差)是不可或缺的。只有當測量必要時才給傳感器供電——通過該方法您也可實現低功耗運行，但這會使該電路復雜得多。而且，使傳感器通電所需的功率還會提高其內部的溫度，從而影響測量準確度。僅僅幾毫安的電流，這種自加熱效應就會產生溫度誤差(這些誤差是可糾正的，但需要進一步的斟酌考量)。另外，請謹記：線繞式鉑RTD或薄膜RTD的成本可能相當高，尤其當與IC傳感器的成本進行比較時。
熱敏電阻器
熱敏電阻器是另一種類型的電阻式傳感器。有多種多樣可用的熱敏電阻器，從物美價廉的產品到高精度產品，不一而足。低成本、低精度的熱敏電阻器可執行簡單的測量或閩值檢測功能——這類電阻器需多個組件(如比較器、參考和分立式電阻器)，但非常便宜，并具有非線性的電阻-溫度屬性，如圖2所示。如果您需要測量寬范圍的溫度，您將需進行大量的線性化處理工作。對幾個溫度點進行校準可能是必要的。為實現更高的精度，可用更昂貴且公差更緊的熱敏電阻陣列來幫助解決這種非線性難題，但這種陣列通常比單個熱敏電阻器靈敏度低。
圖2：熱敏電阻器的電阻與溫度
因為多跳變電系統增加了復雜度和成本，所以低成本熱敏電阻器一般僅用于具有最少功能要求的應用，包括烤面包器、咖啡機、電冰箱和吹風機。此外，熱敏電阻器還會遭受自加熱問題的困擾(通常在較高溫度下，此時它們的電阻較低)。和RTD的情況一樣，尚未發現不能在低電源電壓下使用熱敏電阻器的根本原因
——但請記住，滿量程輸出越低，它根據模數轉換器(ADC)特性直接轉化成的系統靈敏度越低。小功率應用還需要提高電路復雜度，以便能對噪聲引起的誤差非常敏感。熱敏電阻器可在-100℃至+500℃的溫度范圍內運行，雖然大多數熱敏電阻器的額定最高工作溫度范圍是+100℃至+150℃。
熱電偶
熱電偶包括由不同材料制成的兩根電線的接點。例如，型熱電偶是由鐵和康銅制成的。如圖3所示，接點1位于待測量的溫度處，而接點2和接點3則被置于用LM35模擬溫度傳感器測定的不同溫度處。輸出電壓與這兩個溫度值的差大致成比例。
圖3：將LM35用于熱電偶冷接點補償
因為熱電偶的靈敏度相當低(在每攝氏度幾十微伏的量級上)，所以您將需要低偏移放大器來產生可用的輸出電壓。在熱電偶的工作范圍內，溫度至電壓傳遞函數中的非線性往往需要補償電路或查找表，正如RTD和熱電偶一樣。然而，盡管有這些缺點，熱電偶仍非常流行，尤其適用于烤箱、水加熱器、窯爐、測試設備和其它工業處理——原因是熱電偶的熱質量很低且工作溫度范圍(工作溫度可擴展至2300℃以上)很寬泛。
IC傳感器
IC傳感器可在-55℃至+150C的溫度范圍內工作——精選的幾種IC傳感器工作溫度可高達+200℃。有各種類型的集成式IC傳感器，不過四種最常見的集成式IC傳感器當屬模擬輸出器件、數字接口器件、遠程溫度傳感器以及那些具有溫控器功能的集成式IC傳感器(溫度開關)。模擬輸出器件(一般是電壓輸出，但有些也具有電流輸出)在其需要ADC來對輸出信號進行數字化處理時最像無源解決方案。數字接口器件最常使用兩線接口(l2C或PMBus)，并具有內置的ADC。
除了也包括一個局部溫度傳感器外，遠程溫度傳感器還具有一路或多路輸入以便監測遠程二極管溫度——
它們最常被置于高度集成的數字IC(例如，處理器或現場可編程門陣列【FPGA】)中。當達到溫度閾值時，溫控器可提供簡單的警報。
使用IC傳感器有許多好處，包括：功耗低；可提供小型封裝產品(有些尺寸小到0.8mm×0.8mm)；還可在某些應用中實現低器件成本。此外，由于IC傳感器在生產測試過程中都經過校準，因此沒有必要進一步校準。它們通常用于健身跟蹤應用、可佩戴式產品、計算系統、數據記錄器和汽車應用。
經驗豐富的電路板設計人員將根據最終產品要求來使用最合適的解決方案。表1展示了每種溫度傳感器的相對優勢/劣勢。
表1：RTD、熱敏電阻器、熱電偶和IC傳感器的相對優勢與劣勢
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