水温传感器的原理什么是温度传感器？温度传感器原理是什么？一文带你全部搞懂

发布时间：2024-10-07 06:10:37

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：

接触式温度传感器 类型——这些类型的温度传感器需要与被感测对象物理接触 ，并使用传导来监测温度变化 。它们可用于在很宽的温度范围内检测固体 、液体或气体。非接触式温度传感器 类型——这些类型的温度传感器使用对流和辐射来监测温度变化 。它们可用于检测液体和气体，这些液体和气体随着热量的升高和冷在对流中沉降到底部而发射辐射能，或者检测以红外辐射（太阳）形式从物体传输的辐射能。

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。