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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高性能、灵敏、可穿戴多功能传感器，用于人体运动和皮肤温度检测

柔性和可穿戴传感材料由各种传感器组成，可以检测和量化周围环境中的应变、压力和温度等多种刺激。由于其在广泛领域的潜在应用前景，近年来受到越来越多的关注。在各种可穿戴应用中，可穿戴传感器中的应变传感和温度传感是重要的研究领域。高应变灵敏度是准确检测人体引起的微弱变形（例如脉搏和心跳）到关节和肌肉运动引起的实质性变形的先决条件。同时，实时、连续的皮肤温度监测对于预测人体和热环境的认知状态以及疾病的早期诊断至关重要。然而，大多数可穿戴传感器的实际应用普遍受限于其拉伸性和灵敏度差、强度不理想、导电率较低以及感官功能单一等问题。

鉴于此，广西大学徐传辉教授团队 报道了一种大型可拉伸和增强型多功能碳纳米管基传感器 ，这种传感器是基于羧基丁苯橡胶(XSBR)和亲水性丝胶(SS)的非共价修饰碳纳米管(CNTs)的氢键交联网络制成的。该多功能传感器可同时检测微弱和大变形，其具有1%的低检测极限应变，高达217%的高拉伸性，12.58 MPa的卓越强度，高灵敏度，应变系数高达25.98，0.071 S/m的高电导率，以及0.504 wt%的较低渗透阈值，可以组装成多功能传感器来检测人体运动 。此外，所制备的传感器还具有令人印象深刻的热响应（0.01636 °C-1） ，并实现了在人体温度测量中的应用 。多功能XSBR/SSCNT传感器还具有实时和原位生理信号的集成跟踪能力，为开发可穿戴人工智能在人类健康和运动应用中提供了一条有前途的途径。相关工作以“A High-Performance, Sensitive, Wearable Multifunctional Sensor Based on Rubber/CNT for Human Motion and Skin Temperature Detection”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials 》上。

传感器的设计原理、制备和表征

XSBR和丝胶改性的碳纳米管通过乳胶成膜法制备导电橡胶薄膜，橡胶薄膜受益于XSBR和碳纳米管独特的个性和互补特性（图1 ）。碳纳米管独特的结构和卓越的性能使其成为橡胶的理想填料。作者选择含有大量亲水性氨基酸的丝胶作为改性剂，以提高碳纳米管在橡胶基质中的分散性，而不会对碳纳米管造成任何化学破坏。发现丝胶能够使碳纳米管在XSBR基质中均匀分散，而无需任何人工添加剂的帮助。FTIR、拉曼光谱和XPS用于验证XSBR/SSCNT传感器中的化学结构和氢键交联网络的形成（图2 ）。结果表明，少量丝胶修饰的碳纳米管与XSBR的极性羧基形成氢键交联网络，使XSBR/SSCNT传感器具有相当的机械和电学性能。

图1 XSBR/SSCNT传感器的制造过程和表征

图2 XSBR/SSCNT传感器的相互作用表征

传感器的机械性能、电导率和灵敏度

由于碳纳米管的均匀分散和出色的增强，XSBR/SSCNT传感器表现出所需的柔韧性和机械强度。XSBR/SSCNT传感器可以轻松拉伸到其原始长度的200%甚至400%，而不会断裂 （图3 ）。随着碳纳米管含量从1wt％增加到5wt％，极限应力从7.07 MPa增加到12.58 MPa。XSBR/SSCNT传感器的电导率随着CNTs含量的增加呈增加趋势（图4 ）。从纯XSBR的4.56×10-8 S m-1到XSBR/SSCNT-7的0.1567 S m-1，可以发现电导率快速提高了6个数量级。XSBR/SSCNT-5的高电导率和机械强度表明同时提高电导率和机械性能是可行的。XSBR/SSCNT传感器的检测极限通过施加逐渐减小的阶跃应变来证明。得益于在小应变范围内的良好灵敏度，检测限可低至1% 。

图3传感器的应变性能

图4 XSBR/SSCNT传感器的机电特性

传感器的感温特性、可穿戴演示和实际应用

XSBR/SSCNT-5温度传感器的相对电阻变化随着温度从30°C升高到100°C而减小，并且获得的TCR值（1.636%°C-1）超过了大多数先前报道的温度值传感器（图5 ）。XSBR/SSCNT传感器可用于区分和监测手腕运动 ，XSBR/SSCNT传感器还可连接到商用牛仔裤/紧身裤上以检测和区分膝关节的不同运动条件（伸展/弯曲、蹲下、跳跃、慢走和快走、慢跑和跑步），如图6 所示。传感器也可以快速准确地检测到人体微弱的运动（脉搏、面部表情、说话和呼吸） 。作者建立了由灵活的XSBR/SSCNT传感器、带蓝牙模块的数字万用表和手机组成的无线检测系统，以证明人体运动监测的可行性（图7 ）。可穿戴柔性传感器通过数字万用表采集和处理人体活动，手机中的APP可以实时监测电阻变化。此外，XSBR/SSCNT传感器还可应用于温度测量体温。

图5 XSBR/SSCNT-5的温度传感特性

图6可穿戴传感器在检测各种人体动作和声音方面的应用

图7可穿戴传感器的实际应用

小结： 作者提出了一种灵活、可穿戴的XSBR/SSCNT多功能传感器，具有集成特性，包括优异的机械性能（应力高达12.58MPa，应变高达217%）、高灵敏度（应变系数高达25.98）、检测限低（1%应变）、高电导率 (0.071 S m-1)、较低的渗透阈值（0.504 wt%）和有利的温度系数（0.01636 °C-1），这是通过简单的乳胶成膜方法轻松制造的。亲水性丝胶修饰的碳纳米管与XSBR形成氢键，并在XSBR基质中具有更好的分散性，解决了强度、拉伸性、导电性和渗透阈值之间长期存在的难题。此外，XSBR/SSCNT传感器对拉伸变形表现出高灵敏度，可以组装成通用传感器来检测人体的大运动和弱运动 。同时，令人满意的热敏容量满足了实时和连续皮肤温度监测的需求。 由于这些特性，这种XSBR/SSCNT多功能传感器被认为是一个多功能和自适应平台，允许广泛的潜在应用。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107309

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