什么是温度传感器？温度传感器原理是什么？一文带你全部搞懂

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在我们的日常生活中，大家应该都会经常见到温度计、热水器、微波炉、冰箱等。这些都会应用到一个重要的器件--温度传感器 ，这篇文章就来给大家介绍一下温度传感器 、温度传感器原理 、温度传感器的类型 。

什么是温度传感器？

温度传感器 是一种测量物体冷热程度 的设备，以可读的形式通过电信号提供温度测量 。比较常见的是热电偶 和电阻温度检测器 。

温度传感器类型

在实际应用中，有许多的温度传感器可以用，根据实际应用具有不同的特性，温度传感器由两种基本物理类型组成：

接触式和非接触式温度传感器进一步分为以下温度传感器，接下来将对这些温度传感器的原理进行解释

温度传感器原理

一、温度传感器工作原理--恒温器

恒温器 是一种接触式温度传感器，由两种不同金属（如铝、铜、镍或钨）组成的双金属条 组成。

两种金属的线性膨胀系数的差异导致它们在受热时产生机械弯曲运动。

恒温器实物图

一、温度传感器工作原理--双金属恒温器

恒温器 由两种热度不同的金属背靠背粘在一起组成。当天气寒冷时，触点闭合，电流通过恒温器。当它变热时，一种金属比另一种金属膨胀得更多，粘合的双金属条向上（或向下）弯曲，打开触点，防止电流流动 。

双金属恒温器实物图

有两种主要类型的双金属条，主要基于它们在受到温度变化时的运动。有在设定温度点对电触点产生瞬时“开/关”或“关/开”类型动作的“速动”类型，以及逐渐改变其位置的较慢“蠕变”类型随着温度的变化。

双金属恒温器工作原理图

速动型恒温器 通常用于我们家中，用于控制烤箱、熨斗、浸入式热水箱的温度设定点，也可以在墙上找到它们来控制家庭供暖系统。

爬行器类型 通常由双金属线圈或螺旋组成，随着温度的变化缓慢展开或盘绕。一般来说，爬行型双金属条对温度变化比标准的按扣开/关类型更敏感，因为条更长更薄，非常适合用于温度计和表盘等。

二、温度传感器工作原理--热敏电阻

热敏电阻 通常由陶瓷材料制成，例如镀在玻璃中的镍、锰或钴的氧化物，这使得它们很容易损坏。与速动类型相比，它们的主要优势 在于它们对温度、准确性和可重复性的任何变化的响应速度 。

大多数热敏电阻具有负温度系数（NTC） ，这意味着它们的电阻随着温度的升高而降低 。但是，有一些热敏电阻具有正温度系数 (PTC) ，并且它们的电阻随着温度的升高而增加 。

热敏电阻实物图

热敏电阻的额定值 取决于它们在室温下的电阻值 （通常为 25 o C）、它们的时间常数 （对温度变化作出反应的时间）以及它们相对于流过它们的电流的额定功率 。与电阻一样，热敏电阻在室温下的电阻值从 10 兆欧到几欧姆不等，但出于传感目的，通常使用以千欧为单位的那些类型。

温度传感器示例 No1

以下热敏电阻在 25℃ 时的电阻值为 10KΩ，在 100℃时的电阻值为 100Ω 。当与 1kΩ 电阻器串联时，计算热敏电阻两端的电压降 ，从而计算两种温度下的输出电压 (Vout)跨过 12v 电源。

温度传感器示例图

25摄氏度

100摄氏度

通过将 R2 的固定电阻值（在我们的示例中为 1kΩ）更改为电位计或预设值，可以在预定的温度设定点获得电压输出，例如 60℃ 时的 5v 输出，并通过改变电位计获得特定的输出电压水平可以在更宽的温度范围内获得。

但是需要注意的是，热敏电阻是非线性器件，不同热敏电阻在室温下的标准电阻值是不同 的，这主要是由于它们是由半导体材料制成的。热敏电阻 随温度呈指数变化，因此具有 Beta 温度常数 ( β )，可用于计算任何给定温度点的电阻。

然而，当与串联电阻一起使用时，例如在分压器网络或惠斯通电桥型布置中，响应于施加到分压器/电桥网络的电压而获得的电流与温度成线性关系。然后，电阻两端的输出电压与温度成线性关系。

三、温度传感器工作原理--电阻式温度检测器（RTD）

RTD 是精确的温度传感器 ，由高纯度导电金属（如铂、铜或镍）绕成线圈制成。RTD 的电阻变化类似于热敏电阻。也可提供薄膜 RTD。这些器件有一层薄薄的铂膏沉积在白色陶瓷基板上。

电阻温度检测器或RTD实物图

电阻式温度检测器 具有正温度系数 (PTC) ，但与热敏电阻不同，它们的输出非常线性 ，可产生非常准确的温度测量值 。

但是，它们的热灵敏度非常差 ，即温度变化只会产生非常小的输出变化，例如 1Ω/ o C。

更常见的 RTD 类型由铂制成，称为铂电阻温度计 或PRT ，其中最常见的是 Pt100 传感器，其在 0 ℃时的标准电阻值为 100Ω。缺点是铂价格昂贵，这种设备的主要缺点之一是其成本。

与热敏电阻一样，RTD 是无源电阻器件，通过使恒定电流通过温度传感器，可以获得随温度线性增加的输出电压。 典型的 RTD 在 0 ℃ 时的基极电阻约为 100Ω，在 100 ℃ 时增加到约 140 Ω，工作温度范围在 -200 至 +600 ℃ 之间。

因为 RTD 是一个电阻设备，我们需要让电流通过它们并监控产生的电压。然而，当电流流过电阻线时，由于电阻线的自热引起的任何电阻变化， I2 R ，（欧姆定律）都会导致读数错误。为避免这种情况，RTD 通常连接到惠斯通电桥网络 ，该网络具有用于引线补偿和/或连接到恒流源的附加连接线 。

电阻式温度传感器实物图

四、温度传感器工作原理--热电偶

最常见的温度传感器之一包括热电偶， 因为它们具有宽温度工作范围 、可靠性 、准确性 、简单性 和灵敏度 。主要是由于其体积小 。热电偶还具有所有温度传感器中最宽的温度范围 ，从低于 -200 ℃ 到远高于 2000 ℃ 。

热电偶通常由焊接或压接在一起的不同金属（例如铜和康铜）的两个接头组成。其中一个称为冷端，保持在特定温度，而另一个是测量端，称为热端。

在受到温度影响时，会在结上产生电压降。

热电偶是热电传感器， 基本上由焊接或压接在一起的不同金属（例如铜和康铜）的两个接头组成。一个结保持在恒温，称为参考（冷）结，而另一个为测量（热）结。当两个结处于不同温度时，会在结上产生电压，用于测量温度传感器 ，如下所示。

热电偶实物图

热电偶结构

热电偶的工作原理 非常简单和基本。当两种不同金属（例如铜和康铜）熔合在一起时，会产生“热电”效应 ，从而在它们之间产生只有几毫伏 (mV) 的恒定电位差 。两个结之间的电压差称为“塞贝克效应”，因为沿导线产生温度梯度，从而产生电动势。那么热电偶的输出电压是温度变化的函数。

如果两个结处于相同温度，则两个结之间的电势差为零，换句话说，没有电压输出，因为V1 = V2。但是，当结点连接在电路中并且都处于不同温度时，将检测到相对于两个结点之间的温差V1 – V2的电压输出。这种电压差会随着温度的升高而增加 ，直到达到结的峰值电压水平 ，这是由所使用的两种不同金属的特性决定的。

热电偶放大

需要仔细选择放大器的类型，无论是离散的还是运算放大器的形式，因为需要良好的漂移稳定性来防止热电偶频繁地重新校准。这使得斩波器和仪表类型的放大器更适合大多数温度传感应用。

热电偶放大图

五、基于半导体的温度传感器

基于半导体的温度传感器与双集成电路 (IC) 一起工作。它们包含两个具有温度敏感电压和电流特性的类似二极管，以有效测量温度变化。

但是，它们提供线性输出，但在 1 °C 至 5 °C 时精度较低。它们还在最窄的温度范围（-70 °C 至 150 °C）内表现出最慢的响应速度（5 秒至 60 秒）。

五、基于半导体的温度传感器--0V型振弦式温度传感器

0V型振弦式温度计 用于测量混凝土结构或水中的内部温 度。它的分辨率优于 0.1°C，工作原理类似于热电偶温度传感器。它还具有 -20 o至 80 o C的高温范围。

0V型振弦式温度计实物图

五、基于半导体的温度传感器--ETT-10TH 型电阻热敏电阻探头

ETT-10TH 型电阻温度探头 是一种低质量防水温度探头 ，用于测量 –20 至 80°C 之间的温度。由于其低热质量，它具有快速响应时间 。

ETT-10TH型电阻温度探头专为测量钢材表面温度和测量混凝土结构表面温度而设计。ETT-10TH 可以嵌入混凝土中，用于测量混凝土内部的整体温度 ，甚至可以在水下工作 。

ETT-10TH 电阻温度探头是完全可互换 的。在指定的工作温度范围内，温度读数的差异不会超过 1°C。这允许单个指示器与任何 ETT-10TH 探头一起使用而无需重新校准。

ETT-10TH 型电阻温度探头实物图

ETT-10TH 型电阻热敏电阻探头如何工作？

ETT-10TH 温度探头 由一个电阻-温度曲线匹配的热敏电阻环氧树脂封装在铜管中，以实现更快的热响应和环境保护。管子的尖端是扁平的，因此它可以固定在任何相当平坦的金属或混凝土表面上，以测量表面温度 。

借助容易获得的两部分环氧树脂粘合剂，探头的扁平尖端可以固定在大多数表面上。如果需要，探头也可以用螺栓固定在结构表面上。

五、基于半导体的温度传感器--ETT-10PT 型 RTD 温度探头

ETT-10PT RTD（电阻温度检测器）温度探头 由具有 DIN IEC 751（原 DIN 43760）欧洲曲线校准的陶瓷电阻元件 (Pt. 100) 组成。电阻元件安装在封闭端坚固的不锈钢管中，可保护元件免受湿气影响。

ETT-10PT RTD（电阻温度检测器）温度探头实物图

ETT-10PT 型 RTD 温度探头如何工作？

电阻温度探头的工作原理 是传感器电阻是感测温度的函数 。铂 RTD 具有非常好的准确度、线性度、稳定性和可重复性。

ETT-10PT 型电阻温度探头配有三芯屏蔽电缆。红线提供一个连接，两根黑线一起提供另一个。因此，实现了对引线电阻和引线电阻温度变化的补偿。 使用数字 RTD 温度指示器可以轻松读取电阻温度传感器读数。

ETT-10PT 型 RTD 温度探头实物图

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无线传感器网络，在智能建筑中，如何自动调节室内温度？

文|普朗特的笔记

编辑|普朗特的笔记

«——【·前言·】——»

智能建筑技术的快速发展正在为人们的生活带来巨大的便利和舒适，室内温度调节作为一个重要的环节，直接影响着建筑物的舒适性和能源消耗。

传统的室内温度调节方式通常依赖于固定的设定温度或人工干预，无法实现智能化和自动化的调节，而无线传感器网络的出现为实现智能建筑中的室内温度自动调节提供了新的解决方案。

本文探讨了无线传感器网络如何在智能建筑中应用，以自动调节室内温度，介绍了智能建筑中无线传感器网络的基本原理和结构，探讨了传感器网络如何实时监测和收集室内温度数据。

阐述了利用数据分析和控制算法来实现自动调节室内温度的方法，通过综述现有研究成果，展望了无线传感器网络在智能建筑中应用的未来发展方向。

«——【·智能建筑中的无线传感器网络·】——»

智能建筑中的无线传感器网络是由多个分布在建筑内部的传感器节点组成的系统，这些传感器节点可以感知和收集各种环境数据，如温度、湿度、光照等。

传感器网络通过无线通信技术将收集到的数据传输到中央控制系统，从而实现对建筑环境的实时监测和控制。

1.传感器节点的部署

在智能建筑中，传感器节点的合理部署是确保室内环境监测全面有效的关键，传感器节点应该被布置在建筑内部的不同位置，涵盖多个房间和楼层，以便全面感知室内温度的变化。

传感器节点通常可以安装在墙壁、天花板或地面等位置，也可以搭配各种设施设备，如空调、暖气和通风系统，以更好地监测室内温度。

2.多样化的环境数据感知

无线传感器网络的优势在于可以同时感知多样化的环境数据，除了温度，传感器节点还可以感知湿度、光照、CO2浓度等信息，从而形成更加全面的室内环境数据图像。

这些数据不仅可以用于室内温度调节，还可以为其他智能化功能，如室内照明和空气质量调节提供支持。

3.无线通信技术的应用

在无线传感器网络中，传感器节点通过无线通信技术与中央控制系统进行数据传输和通信，常用的通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等。

这些无线通信技术具有低功耗、远距离传输等特点，可以实现传感器节点和中央控制系统之间的实时数据交换，确保数据的准确性和及时性。

4.中央控制系统的功能

中央控制系统是智能建筑中无线传感器网络的核心部分，负责接收、处理和分析传感器节点收集到的数据，中央控制系统可以是一台服务器或云平台，具备强大的数据处理和存储能力。

在收集到室内温度数据后，中央控制系统会进行数据预处理，去除异常值和噪声，然后通过数据分析算法提取温度变化的规律和趋势。

5.数据传输与安全性

在无线传感器网络中，数据传输的安全性是一个重要的考虑因素，由于室内温度数据涉及到个人隐私和建筑的安全性，必须采取措施确保数据传输的安全性和机密性。

常见的方法包括数据加密、身份验证等，以防止数据泄露和非法访问。

6.节能优化与智能决策

除了实时监测和调节室内温度，智能建筑中的无线传感器网络还可以结合节能优化和智能决策技术，实现更高效的能源利用。

通过对温度数据的分析和建模，可以预测建筑的能源消耗情况，并根据需求和能源成本制定智能化的能源管理策略。

例如，在人员不在房间时，自动降低供暖或制冷系统的输出，从而减少不必要的能源消耗。

智能建筑中的无线传感器网络通过合理的传感器节点部署、多样化的环境数据感知、无线通信技术的应用，以及中央控制系统的功能，实现对室内温度的实时监测和自动调节。

通过节能优化和智能决策技术的引入，还可以进一步提高建筑的能源效率和可持续发展水平，为确保数据的安全性和隐私保护，仍需采取相应的数据安全措施。未来的研究还需关注无线传感器网络在智能建筑中的应用场景，以推动智能建筑技术的不断发展。

«——【·室内温度数据的实时监测与收集·】——»

室内温度数据的实时监测与收集是智能建筑中无线传感器网络的核心功能之一，通过准确、及时地获取室内温度数据，可以为自动调节室内温度提供基础数据支持。

1.传感器节点的实时监测

在智能建筑中，部署在不同位置的传感器节点实时监测室内温度变化，这些传感器节点通过内置的温度传感器感知室内温度，并将采集到的数据传输到中央控制系统，传感器节点的实时监测能够捕捉室内温度的瞬时变化，对于灵活地调节室温非常重要。

2.数据传输与通信

传感器节点采集到的室内温度数据通过无线通信技术传输到中央控制系统，无线通信技术可以是Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等，这些通信方式具有低功耗和远距离传输的优势，数据传输的稳定性和及时性对于实时监测和调节室内温度至关重要，确保数据的可靠性和实用性。

3.数据的收集与聚合

中央控制系统负责接收来自各个传感器节点的室内温度数据，并进行数据的收集与聚合，数据收集过程中，可能会涉及到大量的数据，包括来自不同传感器节点和不同时段的数据。

中央控制系统将这些数据进行整合和归纳，形成全局的室内温度数据图像，为后续的分析和决策提供依据。

4.数据预处理

在室内温度数据收集过程中，可能会受到传感器误差、信号干扰等影响，导致数据的不准确性，因此在数据分析之前，需要进行数据预处理，包括去除异常值、噪声滤除和数据平滑等，数据预处理可以有效提高数据的质量和可信度，为后续的数据分析提供高质量的数据基础。

5.数据分析与建模

通过对实时收集到的室内温度数据进行数据分析和建模，可以获得建筑内部温度的变化规律和趋势，数据分析可以采用统计学方法、机器学习算法等技术手段，通过对历史数据的分析，可以预测未来室内温度的趋势，为自动调节室温提供预测依据。

6.数据可视化

为了更直观地展示室内温度数据的变化和趋势，数据可视化是一个有效的手段，中央控制系统可以将数据以图表、曲线等形式进行展示，让建筑管理者和用户一目了然地了解室内温度的变化情况，数据可视化不仅方便实时监测，还可以为数据分析和决策提供更直观的支持。

7.数据存储与管理

大量的室内温度数据需要进行有效的存储和管理，中央控制系统可以配置数据库或云平台来存储历史数据，并进行数据的备份和恢复。

数据的存储和管理对于长期监测和分析室内温度的变化非常重要，也有助于未来的研究和探索。

室内温度数据的实时监测与收集是智能建筑中无线传感器网络的基础功能，通过传感器节点的实时监测、数据传输与通信、数据的收集与聚合、数据预处理、数据分析与建模、数据可视化以及数据存储与管理等过程，可以实现对室内温度的准确、及时的监测与收集。

这些数据为后续的自动调节室温和节能优化提供了重要的数据基础。

«——【·利用数据分析和控制算法实现自动调节·】——»

利用数据分析和控制算法实现自动调节室内温度是智能建筑中无线传感器网络的核心应用之一，通过对实时监测和收集的室内温度数据进行分析和处理，结合控制算法，可以实现智能化的室内温度调节，提高建筑的舒适性和能源利用效率。

1.数据分析与趋势预测

通过对实时收集到的室内温度数据进行数据分析，可以发现温度变化的规律和趋势，数据分析可以采用统计学方法、时间序列分析等技术手段，找出温度波动的周期性和季节性变化。

基于历史数据的分析，还可以预测未来一段时间内室内温度的趋势，为自动调节提供预测依据。

2.控制算法的选择与设计

在实现自动调节室内温度的过程中，需要选择合适的控制算法，常见的控制算法包括反馈控制、前馈控制和模糊控制等。反馈控制算法根据实时监测的温度数据与设定温度之间的误差，调整供暖或制冷系统的输出，使温度逐渐趋向设定值。

前馈控制算法则根据已知的外部影响因素，提前调整供暖或制冷系统的输出，以避免温度过度波动，模糊控制算法则可以应对温度调节过程中的不确定性和模糊性，更加灵活地调节室内温度。

3.控制策略的优化

为了进一步提高室内温度调节的效果，控制算法需要不断优化和改进，可以通过模拟和仿真，对不同控制算法的效果进行评估比较。

根据评估结果，优化控制策略的参数设置，以使得温度调节更加稳定、高效，并且适应不同的室内环境和用户需求。

4.基于用户偏好的个性化调节

智能建筑中的自动调节室内温度不仅仅是简单地达到设定温度，还应考虑用户的偏好和需求，用户可能对舒适温度有不同的理解，可以采用个性化调节策略。

通过与用户交互，了解用户的偏好和行为习惯，建立用户模型，为每个用户提供个性化的室内温度调节方案。

5.节能控制与时间调度

智能建筑中的室内温度自动调节还需要兼顾节能措施，在无人或少人时，可以通过降低供暖或制冷系统的输出，实现节能效果。时间调度算法可以根据不同时间段的人员活动情况和外部环境条件，自动调整室内温度设定值，使能源利用更加高效。

6.故障检测与容错机制

在实际应用中，供暖或制冷系统可能会出现故障，导致室内温度调节异常，还需要引入故障检测与容错机制。通过监测系统状态和温度数据异常，及时发现故障，并采取相应措施，确保室内温度调节的稳定性和可靠性。

通过对室内温度数据进行趋势分析和预测，选择合适的控制算法，并优化控制策略，可以实现智能化的室内温度调节，满足用户的舒适需求，同时实现节能优化，提高建筑的能源利用效率。

个性化调节、时间调度和故障检测等措施也是确保室内温度调节的重要考虑因素，保障系统的稳定性和可靠性。

——【·笔者观点·】——»

本文深入探讨了无线传感器网络在智能建筑中自动调节室内温度的原理、方法和关键技术。

通过对本文的研究和讨论发现，无线传感器网络在智能建筑中自动调节室内温度的应用为改善室内环境舒适性，提高能源利用效率，以及推动智能建筑技术的发展做出了重要贡献。

在未来的研究和实践中，我们有信心将无线传感器网络应用于更多智能建筑场景，为人们创造更加舒适、智能、可持续的居住和工作环境。

——【·参考文献·】——»

[1] 基于无线传感器网络的小区安防监控系统设计. 魏婉华.现代物业(上旬刊),2014

[2] 试论智能建筑在我国的发展. 许贺栋;许世文.科教文汇(下旬刊),2011

[3] 智能建筑与无线传感器网络. 金海红.中国科技信息,2010

[4] 无线传感器网络在智能建筑中的应用. 单建昌;刘瑞金.物流工程与管理,2009

[5] 无线传感器网络在智能建筑中的应用. 解扬;鲁家乐;李传文.建筑电气,2007

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