电阻式温度传感器

2023-12-21

温度传感器的种类

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式，可分为接触式和非接触式两大类：　

接触式温度传感器

接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。常用的有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。检测部分与被测对象有良好的接触，通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，而接触式温度传感器一般测量精度较高。

非接触式温度传感器

非接触式温度传感器可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

优点是测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。

最常用工作原理基于黑体辐射基本定律的辐射测温法。

辐射测温法包括：亮度法、辐射法、比色法。

各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。

按工作原理有下列形式的温度传感器

1、金属膨胀原理设计的传感器

金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸，因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。

2、双金属片式传感器

双金属片由两片不同膨胀系数的金属贴在一起而组成，随着温度变化，材料A比另外一种金属膨胀程度要高，引起金属片弯曲。弯曲的曲率可以转换成一个输出信号。

3、双金属杆和金属管传感器

随着温度升高，金属管长度增加，而不膨胀钢杆的长度并不增加，这样由于位置改变，金属管的线性膨胀就可以进行传递。反过来可以转换成一个输出信号。

4、液体和气体的变形曲线设计的传感器

在温度变化时，液体和气体同样会相应产生体积的变化。多种类型的结构可以把这种膨胀的变化转换成位置的变化，这样产生位置的变化输出(电位计、感应偏差、挡流板等等)。

5、热敏电阻温度传感器

热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。

热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。

热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度，有较好的精度，但它比热偶贵，可测温度范围也小于热偶。它非常适合需要进行快速和灵敏温度测量的电流控制应用。尺寸小对于有空间要求的应用是有利的，但必须注意防止自热误差。

热敏电阻还有其自身的测量技巧。热敏电阻体积小是优点，它能很快稳定，不会造成热负载。不过也因此很不结实，大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功率而造成发热。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。

6、热电偶温度传感器

热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，也是最便宜的。热电偶是最简单和最通用的温度传感器，但热电偶并不适合高精度的的测量和应用。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

七个基本类型的温度测量传感器

七个基本类型的温度测量传感器是热电偶，电阻温度设备，红外辐射器，双金属设备，液体膨胀设备，分子状态变化和硅二极管。最常见的温度传感器是热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。

1、热电偶：测温范围广，便宜　

热电偶是电压设备，可指示电压变化时的温度测量。随温度升高热电偶的输出电压升高——不一定是线性的。热电偶通常位于金属或陶瓷屏蔽罩内，以防止其暴露于各种环境中。金属护套热电偶也可提供多种类型的外部涂层，例如铁氟龙，可在酸和强碱溶液中无故障使用。

热电偶由两条不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起，组成回路。这个末端连接点被称为Hot Junction（热端），而金属线连接的另一端叫冷端。　

热电偶是最简单和最通用的温度传感器，主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，尤其最便宜；缺点是精度不够高，不适合高精度的应用。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃，最高可达+2800℃。

2、热敏电阻：体积小，响应快

热敏电阻由半导体制成，其电阻随温度而变化，其电阻值也发生变化，对于不同金属来说，温度每变化一度电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。　

热敏电阻采用的是半导体，大多是负温度系统，即阻值随温度增加而降低，而温度小的变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。同时体积非常小，对温度变化的响应快，对自热误差极为敏感，精度较高，但需要使用电流源，测温范围较小，价格较贵。

但热敏电阻线性度极差，表现出高度非线性电阻-温度曲线。而这与与生产工艺有很大关系，所以制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。　

一个典型的NTC热敏电阻器性能参数

热敏电阻的温度曲线，可看到电阻/温度曲线是非线性

3、RTD（电阻温度探测器）：最精确、最稳定

电阻式温度测量装置也是电性的。它不像热电偶那样使用电压，而是利用物质的另一个随温度变化的特性--电阻。而使用的电阻器件可分为：金属电阻温度器件（RTD）和热敏电阻。

RTD与热敏电阻类似，都是电阻随温度而变化，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。不同的是，热敏电阻由半导体材料制成a，而RTD则由金属制成，所以也叫铂电阻，也有部分是由镍或铜制成的。RTD可以采用许多不同的形状，例如绕线，薄膜等。

RTD是最精确和最稳定的温度传感器，它的线性度优于热偶和热敏电阻。但RTD是最贵的温度传感器。因此最适合对精度有严格要求，而速度和价格不太关键的应用领域。

4、IC型温度传感器

IC型温度传感器是一种数字温度传感器，它有非常线性的电压 ∕ 电流—温度关系。有些IC传感器甚至有代表温度、并能被微处理器直接读出的数字输出形式。

电流传感器(左)和电压传感器(右)

温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法，也很便宜，但缺点是会受到配置和速度限制，测温范围非常有限，存在自热、不坚固和需要外电源的问题。因为温度IC需要有外电源，所以通常是嵌入在电路中而不用于探测。

5、红外传感器

红外传感器是非接触式传感器。例如，如果您将一个典型的红外传感器无接触地举到桌子的前部，则该传感器会通过其辐射来告诉您桌子的温度——在正常室温下约为68°F。在非接触式冰水测量中，由于蒸发，冰水在0°C下会稍微测量，这会稍微降低预期的温度读数。

6、双金属装置

双金属装置在加热时利用金属膨胀的优势。在这些设备中，两种金属结合在一起并与指针机械连接。加热时，双金属带的一侧将比另一侧扩展更多。并且当正确地对准指针时，会显示温度测量值。优点是便携性和与电源的独立性。但是通常不如电气设备准确，并且无法像热电偶或RTD这样的电气设备轻松记录温度值。但是可移植性是正确应用程序的绝对优势。

7、液体膨胀装置——温度计

温度计是众所周知的液体膨胀装置。一般分为两个类别：汞类型和有机液体类型。两者区别明显，因为汞装置在如何安全运输或运输方面有一定的局限性。例如，汞被认为是环境污染物，因此破损可能是危险的。装运前，请务必检查当前对汞产品空运的限制。

8、硅二极管

硅二极管传感器是一种专门为低温范围开发的器件。从本质上讲，它们是一种线性器件，在低低温区域，二极管的电导率呈线性增长。无论你选择什么样的传感器，它都不可能单独工作。由于大多数传感器的选择在温度范围和精度上有重叠，因此传感器的选择将取决于如何将其集成到一个系统中。

10、状态变化传感器

状态变化温度传感器测量的就是温度变化带来的材料状态变化，就像从冰到水再到蒸汽的变化。市面上可以买到的这种类型的设备有标签、颗粒、蜡笔或油漆的形式。例如，标签可以用在蒸汽疏水阀上。当疏水阀需要调整时，它就会变热;然后，标签上的白点就会通过变黑来表示温度的上升。即使温度恢复正常，白点也会保持黑色。

例如，一个典型的标签在低于所感应的温度时是全黑的。随着温度测量值的上升，在例如33°F的位置会出现一种颜色--首先是蓝色，然后是绿色，最后是棕色，当它通过指定温度时。在任何特定的液晶设备中，您通常会看到两个相邻的色点--蓝色的色点略低于温度指示器，棕色的色点略高于温度指示器。这可以让您估计温度，例如，在85°和90°F之间。