所有傳感器中最常用的類型是那些檢測溫度或熱量的傳感器。

這些類型的溫度傳感器從簡單的控制家用熱水加熱系統(tǒng)的開關恒溫設備，到可以控制復雜過程控制爐設備的高靈敏度半導體類型不等。

我們記得在學?？茖W課上，分子和原子的運動產(chǎn)生熱量（動能），運動越大，產(chǎn)生的熱量越多。溫度傳感器測量物體或系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量或冷度，使我們能夠“感知”或檢測該溫度的物理變化，產(chǎn)生模擬或數(shù)字輸出。

有許多不同類型的溫度傳感器可用，根據(jù)其實際應用，所有傳感器都有不同的特性。溫度傳感器由兩種基本物理類型組成：

接觸式溫度傳感器類型 – 這些類型的溫度傳感器需要與被感測物體進行物理接觸，并使用傳導來監(jiān)測溫度變化。它們可以用于檢測固體、液體或氣體在廣泛溫度范圍內(nèi)的溫度。

非接觸式溫度傳感器類型 – 這些類型的溫度傳感器使用對流和輻射來監(jiān)測溫度變化。它們可以用于檢測液體和氣體，這些液體和氣體在熱上升和冷沉降到對流底部時發(fā)出輻射能量，或者檢測從物體以紅外輻射形式傳輸?shù)妮椛淠芰浚ㄌ枺?/p>

接觸式或非接觸式溫度傳感器的兩種基本類型還可以細分為以下三類傳感器：機電式、電阻式和電子式，所有三種類型都在下面討論。

恒溫器作為溫度傳感器

恒溫器是一種接觸式機電溫度傳感器或開關，基本上由兩種不同的金屬（如鎳、銅、鎢或鋁等）組成，它們粘合在一起形成雙金屬條。當雙金屬條受熱時，兩種不同金屬的不同線性膨脹率會產(chǎn)生機械彎曲運動。

雙金屬條本身可以用作電氣開關，或者作為在恒溫控制中操作電氣開關的機械方式，廣泛用于控制鍋爐、爐子、熱水儲罐以及車輛散熱器冷卻系統(tǒng)中的熱水加熱元件。

雙金屬恒溫器

雙金屬條恒溫器

恒溫器由兩種熱學上不同的金屬背靠背粘合在一起組成。當它冷時，觸點閉合，電流通過恒溫器。當它變熱時，一種金屬比另一種金屬膨脹更多，粘合的雙金屬條向上（或向下）彎曲，打開觸點，阻止電流流動。

恒溫器溫度傳感器

開關恒溫器

基于溫度變化時的運動，主要有兩種類型的雙金屬條。有“瞬時動作”類型，在設定溫度點對電氣觸點產(chǎn)生瞬時“開/關”或“關/開”類型動作，以及較慢的“蠕動動作”類型，隨著溫度變化逐漸改變其位置。

瞬時動作類型恒溫器通常用于我們家中控制烤箱、熨斗、浸入式熱水箱的溫度設定點，也可以在墻上找到用于控制家用加熱系統(tǒng)。

蠕動類型通常由雙金屬線圈或螺旋組成，隨著溫度變化緩慢展開或卷起。通常，蠕動類型雙金屬條對溫度變化比標準開關類型更敏感，因為條更長更薄，使其非常適合用于溫度計和刻度盤等。

雖然非常便宜并且在廣泛的操作范圍內(nèi)可用，但當用作溫度傳感器時，標準瞬時動作類型恒溫器的一個主要缺點是，從電氣觸點打開到再次關閉，它們有很大的滯后范圍。例如，它可能設定為20°C，但可能直到22°C才打開，或者直到18°C才再次關閉。

因此，溫度波動的范圍可能相當高。商業(yè)上可用的家用雙金屬恒溫器確實有溫度調(diào)節(jié)螺釘，允許更精確地預設所需溫度設定點和滯后水平。

熱敏電阻作為溫度傳感器

熱敏電阻是另一種類型的溫度傳感器，其名稱是“熱敏電阻”的組合。熱敏電阻是一種特殊類型的電阻器，當暴露于溫度變化時，其物理電阻會發(fā)生變化。

熱敏電阻溫度傳感器

熱敏電阻

熱敏電阻通常由陶瓷材料制成，如鎳、錳或鈷的氧化物涂覆在玻璃中，這使得它們?nèi)菀讚p壞。它們相對于瞬時動作類型的主要優(yōu)勢在于它們對溫度變化、準確性和重復性的響應速度。

大多數(shù)類型的熱敏電阻具有負溫度系數(shù)（NTC），即它們的電阻值隨著溫度的升高而下降，當然也有一些具有正溫度系數(shù)（PTC），即它們的電阻值隨著溫度的升高而上升。

熱敏電阻由陶瓷型半導體材料制成，使用金屬氧化物技術，如錳、鈷和鎳等。半導體材料通常形成小壓制盤或球，密封以對任何溫度變化提供相對快速的響應。

熱敏電阻按其室溫下的電阻值（通常在25°C）、時間常數(shù)（對溫度變化的反應時間）和相對于通過它們的電流的額定功率進行評級。像電阻器一樣，熱敏電阻在室溫下的電阻值從幾十兆歐到幾歐姆不等，但對于傳感目的，通常使用千歐姆值的類型。

熱敏電阻是被動電阻器件，這意味著我們需要通過它傳遞電流以產(chǎn)生可測量的電壓輸出。然后，熱敏電阻通常與合適的偏置電阻串聯(lián)，形成分壓網(wǎng)絡，電阻的選擇在某些預定溫度點或值下提供電壓輸出，例如：

溫度傳感器示例1

以下熱敏電阻在25°C時的電阻值為10KΩ，在100°C時的電阻值為100Ω。計算熱敏電阻上的電壓降，從而計算其在12V電源上與1kΩ電阻串聯(lián)時的輸出電壓（Vout）。

熱敏電阻電路

在25°C時

25度時的熱敏電阻

在100°C時

100度時的熱敏電阻

通過將固定電阻值R2（在我們的示例中為1kΩ）更改為電位器或預設，可以在預定溫度設定點獲得電壓輸出，例如，在60°C時5V輸出，并且通過調(diào)節(jié)電位器，可以在更廣泛的溫度范圍內(nèi)獲得特定的輸出電壓水平。

然而，需要注意的是，熱敏電阻是非線性器件，它們在室溫下的標準電阻值在不同熱敏電阻之間是不同的，這主要是由于它們由半導體材料制成。熱敏電阻具有隨溫度的指數(shù)變化，因此具有Beta溫度常數(shù)（β），可用于計算其在任何給定溫度點的電阻。

然而，當與串聯(lián)電阻（如分壓網(wǎng)絡或惠斯通電橋類型布置）一起使用時，響應于施加到分壓/電橋網(wǎng)絡的電壓獲得的電流隨溫度線性變化。然后，電阻上的輸出電壓隨溫度線性變化。

電阻溫度檢測器（RTD）

另一種類型的電阻溫度傳感器是電阻溫度檢測器或RTD。RTD是由高純度導電金屬（如鉑、銅或鎳）繞成線圈制成的精密溫度傳感器，其電阻隨溫度變化而變化，類似于熱敏電阻。還有薄膜RTD。這些器件在白色陶瓷基板上沉積了一層鉑漿薄膜。

電阻溫度檢測器

電阻RTD

電阻溫度檢測器具有正溫度系數(shù)（PTC），但與熱敏電阻不同，它們的輸出非常線性，產(chǎn)生非常準確的溫度測量。

然而，它們的熱靈敏度非常差，即溫度變化僅產(chǎn)生非常小的輸出變化，例如，1Ω/°C。

更常見的RTD類型由鉑制成，稱為鉑電阻溫度計或PRT，其中最常用的是Pt100傳感器，其在0°C時的標準電阻值為100Ω。缺點是鉑昂貴，這種類型設備的主要缺點之一是其成本。

像熱敏電阻一樣，RTD是被動電阻器件，通過向溫度傳感器傳遞恒定電流，可以獲得隨溫度線性增加的輸出電壓。典型的RTD在0°C時的基本電阻約為100Ω，在100°C時增加到約140Ω，工作溫度范圍在-200至+600°C之間。

由于RTD是電阻器件，我們需要通過它們傳遞電流并監(jiān)測產(chǎn)生的電壓。然而，由于電流通過時電阻線的自熱，I2R（歐姆定律）會導致讀數(shù)誤差。為了避免這種情況，RTD通常連接到惠斯通電橋網(wǎng)絡中，該網(wǎng)絡具有額外的連接線用于引線補償和/或連接到恒定電流源。

熱電偶作為溫度傳感器

熱電偶是迄今為止最常用的溫度傳感器類型。熱電偶因其簡單性、易用性和對溫度變化的快速響應而受歡迎，這主要是由于其小尺寸。熱電偶還具有所有溫度傳感器中最寬的溫度范圍，從低于-200°C到超過2000°C。

熱電偶是熱電傳感器，基本上由兩種不同金屬（如銅和康銅）的兩個接點組成，這些接點焊接或壓接在一起。一個接點保持在恒定溫度，稱為參考（冷）接點，而另一個接點是測量（熱）接點。當兩個接點處于不同溫度時，接點之間會產(chǎn)生電壓，用于測量溫度傳感器，如下所示。

熱電偶結(jié)構(gòu)

熱電偶溫度傳感器

熱電偶的操作原理非常簡單和基本。當兩種不同金屬（如銅和康銅）熔合在一起時，接點會產(chǎn)生“熱電”效應，在它們之間產(chǎn)生僅幾毫伏（mV）的恒定電位差。兩個接點之間的電壓差稱為“塞貝克效應”，因為沿導線的溫度梯度產(chǎn)生電動勢。然后，熱電偶的輸出電壓是溫度變化的函數(shù)。

如果兩個接點處于相同溫度，則兩個接點之間的電位差為零，換句話說，沒有電壓輸出，因為V1 = V2。然而，當接點連接在電路中并且處于不同溫度時，將檢測到相對于兩個接點之間溫度差的電壓輸出，V1 – V2。這種電壓差將隨溫度增加，直到達到接點的峰值電壓水平，這由所使用的兩種不同金屬的特性決定。

熱電偶可以由各種不同材料制成，從而能夠測量-200°C至超過+2000°C的極端溫度。由于材料和溫度范圍的選擇如此廣泛，已經(jīng)開發(fā)了國際認可的標準，并附有熱電偶顏色代碼，以允許用戶為特定應用選擇正確的熱電偶傳感器。標準熱電偶的英國顏色代碼如下。

熱電偶顏色代碼

上述用于一般溫度測量的三種最常見熱電偶材料是鐵-康銅（J型）、銅-康銅（T型）和鎳-鉻（K型）。熱電偶的輸出電壓非常小，溫度差每變化10°C僅幾毫伏（mV），由于這種小電壓輸出，通常需要某種形式的放大。

熱電偶放大

溫度傳感器放大器

放大器的類型，無論是分立式還是運算放大器形式，都需要仔細選擇，因為需要良好的漂移穩(wěn)定性以防止頻繁重新校準熱電偶。這使得斬波器和儀器放大器類型更適合大多數(shù)溫度傳感應用。

這里未提及的其他溫度傳感器類型包括半導體結(jié)傳感器、紅外和熱輻射傳感器、醫(yī)用溫度計、指示器和顏色變化墨水或染料。

在本教程關于“溫度傳感器類型”中，我們討論了幾個用于測量溫度變化的傳感器示例。在下一個教程中，我們將討論用于測量光量的傳感器，如光電二極管、光電晶體管、光伏電池和光敏電阻。