温度传感器

温度传感器是一种敏感元件，它根据被感测对象的温度变化来改变其某些特性或参数。其作用是将被监测对象的冷热程度转换成电信号输出，结构简单、性能稳定、高精度和宽范围测量。

温度传感器的发展大致经历了传统的分立温度传感器(含敏感元件)模拟集成温度传感器/控制器、智能温度传感器的三个阶段。目前，世界上的新型温度传感器正在从模拟向数字转变，从集成向智能转变、网络发展的方向。

温度传感器主要由温度传感模块和主处理模块组成对于温度传感模块，它主要由与绝对温度变化成比例的温度传感器件组成。温度传感器的温度感测模块主要用于感测环境温度，并将温度信号转换为用电压或电流等信号来指示温度。

温度传感器在温度控制系统的发展中起着重要的作用，是各种传感器中发展最早应用最广泛的传感器。目前温度传感器主要应用在生活中、工业、医疗、环境、在气候和科学研究领域，传感器的种类是最多的。

温度传感器是温度测量仪器的核心部件。常见的温度传感器是热电偶、热电阻温度传感器和集成温度传感器。下面主要介绍这些典型温度传感器的结构和测温原理。

热电偶

热电偶是工业中应用最广泛的温度传感器。热电偶测温精度和灵敏度高，稳定性和重现性好，动态响应快，测温范围宽，信号传输方便。热电偶通常由热电极组成、绝缘子、保护管和接线盒由四部分组成。热电极由两种不同材料的导体焊接而成。焊接的一端是工作端(或热端)与导线相连的一端是自由端(或冷端)这种导体叫做热电极。热电极是热电偶的核心部件，通常由贵金属制成。绝缘体用于防止两个热电极断裂。保护管套在热电极和绝缘体外面，其作用是将热电极与被测介质隔离开来，从而保护热电极免受化学和机械损伤。接线盒用于连接热电极和补偿线必须防止灰尘水和气体进入热电极，否则不仅会影响热电极的使用寿命，还会影响测量精度。接线盒的端子必须标有热电极的正极和负极。

热电偶由两根不同的金属丝一端相连组成(金属A和金属B)组成，如下图所示是热电偶传感器的工作原理图温度测量的基本原理是当热电偶一端受热时，热电偶回路中存在电位差，通过测得的电位差即可计算出温度。

当两端有温度梯度时，回路中就会有电流，两端之间就会产生电动势热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种成分不同的同质导体为热电极，温度较高的一端为工作端 (热端温度)温度较低的一端是自由端TC(冷端温度)自由端通常处于恒温状态。根据热电动势与温度的函数关系制作热电偶分度表，该分度表是在自由端温度为0℃时得到的，不同的热电偶有不同的分度表。

热电阻

工业上使用的标准热电阻有两种类型通用组装型和柔性安装型铠装型。普通组装是将铂热电阻的感温元件用引线焊接，组装在一端封闭的金属或陶瓷保护套内，然后安装接线盒而成，如下图所示（2）所示。柔性安装铠装型是一种铂热电阻温度传感元件、引线、绝缘粉末装配在不锈钢管中，然后通过模具拉伸成固体整体，模具具有固体、抗振、可绕、线径小、金属热电阻传感器的感温元件由纯金属制成，理想的材料是铂、铜、镍等，一般可根据感温元件的材质和适用温度范围分为铂热电阻、铜热电阻、镍热阻和低温热阻等。当大多数金属的温度发生变化时，它们自身的电阻值会按照一定的规律发生变化电阻温度计采用热电阻作为感温元件，将温度变化转换为电阻值变化，再通过测量电桥将其转换为电压信号。然后由显示仪表指示或发送至其他控制电路。

热敏电阻：热敏电阻测温的原理是利用半导体材料电阻率随温度变化的特性。热敏电阻可分为正温度系数(PTC) 热敏电阻、负温度系数(NTC ) 热敏电阻和临界温度电阻( CTR ) 这三个类别。PTC是指电阻率随温度升高而急剧增加的热敏电阻。作为一种温度测量工具，正温度系数热敏电阻有以下主要用途：冰箱压缩机的启动电路、保护和限流电路防止电机电流过大造成过热，并作为恒温开关安装在烘干机上。NTC是一种热敏电阻，其电阻率随着温度的升高而缓慢而均匀地降低。主要用于测量电子产品中微波的功率、对温度进行监测、补偿以及控制。

集成温度传感器：所谓集成温度传感器是将包括温度敏感元件的信号放大电路集成在一个非常小的半导体芯片上、温度补偿电路、集成传感器及其信号处理电路的参考电源和其他单元。集成电路温度传感器是一个温度敏感三极管，将用作温度敏感器件(一般为差分对管)并且其外围电路集成在同一芯片上这种传感器线性度好精度高互换性好体积小使用方便其工作温度范围通常为-50摄氏度~150摄氏度。集成电路温度传感器的感温元件采用差分对晶体管，产生与绝对温度成正比的电压和电流，即通常所说的PTAT(Proportion   to   Absolute temperature  )

在确定了温度传感器的结构和应用领域后，还必须说明温度传感器的技术指标温度传感器的主要技术指标包括转换时间、温度分辨率、温度范围、功耗和相对误差等。

转换时间：指接通电源电压后对应于输出温度的精确编码时间。转换时间代表温度传感器的实时检测性能；

工作温度范围：指温度传感器正常工作时的工作温度范围，而商用的工作温度范围通常位于-在40℃到125℃的范围内；

响应时间：温度传感器的一个重要指标是响应时间，特别是在测量温度时幅度变化较大的工作环境中，以及对温度变化敏感的应用场合，响应时间非常重要一般表示为时间常数T能否正确测量温度、正确理解温度传感器的时间常数是及时反映被测温度变化的关键

温度分辨率：温度传感器对环境温度变化的最小识别值反映了温度传感器的高精度和高灵敏度。温度分辨率由数字编码中的位数决定分辨率高时，功耗转换时间等性能要求降低；

功耗：功耗是芯片的一项关键技术指标，代表电路正常工作条件下电压和电流的乘积芯片内部的热量和散热会大大影响温度传感器的功耗；

相对误差：相对误差是指温度传感器实际输出的二进制代码所对应的温度值与实际温度值之间的差值，在衡量温度传感器的精度方面具有重要意义。

温度传感器可以通过许多方式分类，例如通过测量、材料和特性以及温度测量原理。每个分类都有各种不同的温度传感器，如根据温度测量原理的电阻温度传感器、热电偶温度传感器和PN结温度传感器分类如下。

材料材质划分

传统温度传感器：传统传感器主要由硅等硬质材料制成、二氧化硅、氧化铝虽然应用广泛，但生物相容性差、刚性大、很难检测不均匀的表面和其他缺陷；

柔性温度传感器：可穿戴柔性传感器基于具有一定延展性的柔性材料，如纸、织物和聚氨酯（PU）等等，可以检测非均匀表面的物理参数。因其柔韧、轻盈等优点，常用于人、医疗保健、运动员和消防员的生理参数监测等。

测量方式划分

非接触式温度传感器：这些传感器大多用作商用温度传感器，它们通过红外线测量温度、超声波光纤等技术通过测量物体表面或内部的光热辐射功率来检测温度；

接触式温度传感器：接触式温度传感器多基于物理变化，主要是测量与之保持接触的物质的温度（假设它们之间存在热平衡，则它们之间没有热流）

测温原理划分

电阻温度传感器：电阻式温度传感器通常使用温敏金属作为感温材料，通过测量感温材料的电阻变化可以获得被测对象的相应温度。由于感温材料通常为金属，这类温度传感器的测量范围较宽，并且感温材料的电阻与温度具有良好的线性关系，测量结果稳定；

热电偶温度传感器：热电偶温度传感器通过热电效应实现温度测量两种不同的材料用作热电极以形成导电路径，其中一种是工作端当两端存在温差时，导电路径中将产生电动势测量的温度值可以通过放大回路中的电信号并进行二次转换分析来获得；

PN结温度传感器：PN结型温度传感器与电阻型相比，利用半导体器件的一些性能参数对温度的依赖性来实现温度检测、热电偶温度传感器，PN结温度传感器尺寸更小，测量更精确，响应更快、家电等领域应用广泛。

信号输出模式

模拟温度传感器：模拟温度传感器有多种输出形式(绝对温度、摄氏和华氏温度)以及电压偏移值。模拟温度传感器的输出也可送至比较器产生过温指示信号，或直接送至模数转换器的输入端显示实时温度数据。模拟温度传感器适用于低成本、小尺寸和低功耗应用；

数字温度传感器的工作原理是将被测温度信号由敏感元件接收的非电量转换为数字信号，其处理过程一般集成在单片ic器件本体中，使温度传感器具有很高的精度。

家用电器：随着科技的发展，家用电器的智能化水平越来越高。其中，利用传感器实现家电智能控制已成为家电厂商获取市场份额的重要手段。在家用电器的智能控制过程中，温度传感器是一种应用广泛且非常重要的传感器。加强家用电器中温度传感器工作原理的研究和应用，不仅可以提高智能控制水平，还可以不断提高家电制造企业的核心竞争力。家用电器中经常使用的温度传感器是热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感器。

温度传感器

汽车电子：集成温度传感器广泛用于汽车内不同温度的检测、温度控制场合。汽车温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃料温度和催化温度等。目前，主要的实用产品是热敏电阻温度传感器、铁氧体温度传感器(ON／OFF型)金属或半导体薄膜空气温度传感器。由于传统的温度传感器难以满足多功能的要求、集成化、随着智能控制的要求，现代汽车正在向更高的精度发展、响应时间更快的集成温度传感器。在汽车电子控制系统中，空气温度传感器也是用于检测温度参数的温度传感器、排气温度传感器、燃油箱温度传感器、变速器油温传感器、蒸发器温度传感器、车内温度传感器、车外温度传感器、加热器温度传感器等，分别用于相关控制系统的温度校正控制或与温度相关的自动控制。

航空领域：温度传感器是飞机环境控制系统中最重要的检测和控制元件，其选择是合理的、安装正确、质量稳定性是环境控制系统的安全性、保证经济性和舒适性。随着系统健康管理要求的提高和传感器技术的发展，飞机环境控制系统的温度传感器和系统附件变得越来越重要、管道将逐渐融合，例如嵌入式光纤温度传感器、内置铂电阻模式或应变温度传感器，结合其他传感器，有助于下一代智能阀门、智能管道等智能配件的出现，真正实现了系统运行的自主化和最优化。

生物医学：通常使用特殊的温度传感器，并且所需的温度传感器具有低功耗、稳定性好、高可靠性和高精度（精确度小于0.1℃）等优点。例如，热电偶传感器具有很宽的温度范围、性能稳定、准确可靠，广泛应用于医疗领域。在肿瘤治疗中，已经证明加热可以增强放射性对肿瘤的杀伤能力。加热到43℃可使放射性剂量减少1/3辐射的副作用减少。超声加热深部肿瘤时，肿瘤区域的温度测量精度高利用热电偶和恒温冰槽技术，可将肿瘤加热区域的温度精确控制在43℃左右。

军事防御：可以利用Wi-Fi温度传感器监测战场周围的温度变化，从而做出及时反应。此外，自2001年以来，“反恐”各国对此一直比较重视，有效的防御系统可以很好地防止攻击。在防御系统中，Wi-Fi温度传感器还可以发挥重要作用，例如监测周围环境并收集数据和信息，从而应对紧急情况。

太空应用：热敏电阻和硅PN结温度传感器主要用于空间温度测量。未来的卫星设计将使用更多具有数字输出功能的温度传感器，传输的数字信息应与微处理器兼容。

工业应用：热电偶温度传感器通常广泛应用于工业生产中，具有安装简单耐高温等优点。由于市场成本低、对稳定性好可靠性高的通信系统的需求越来越大，对温度传感器的要求也越来越高。目前，智能温度传感器由于其优越的性能也在工业中得到广泛应用。