浅谈温度传感器原理及其应用

金岩 赵瑞芳 陈开府

[摘           要]  温度传感器是利用半导体、金属等材料的热敏特性将温度转换为输出信号的传感器。温度传感器是开发早、应用广泛的一种传感器，在科学研究、工农业生产与生活中起着重要作用。对温度传感器的工作原理及其应用展开论述。

[关    键   词]  温度传感器;温度测量;传感器应用

[中图分类号]  S951.4+1         [文献标志码]  A                 [文章编号]  2096-0603（2018）35-0166-02

随着工农业与电子信息产业的高速发展，传感器市场需求不断增加，在整个市场中，温度传感器占据40%以上。温度传感器可以用来测量、控制温度，对紫外光和红外光、风速、流速和流量测定以及微波功率测量等，被广泛应用于热水器、空调、电冰箱彩电、电脑显示器等家用电器及汽车、军事等领域。随着温控系统的广泛应用，使我国温度传感器的需求日益增加。

一、温度传感器的分类

温度传感器种类繁多，根据其测量方式不同，可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两种。接触式温度传感器是指在测量物体温度时与待测物体有良好的接触，保证温度测量的准确性。常用的接触式温度传感器又分为半导体热敏电阻温度传感器、热电阻温度传感器、热电偶温度传感器和集成温度传感器等。非接触式温度传感器可以对物体热辐射发出的红外线进行测量，从而达到测量物体温度的目的，同时可以进行遥测。

现结合实际情况，简单对这些温度传感器的特点进行分析，详细特点如下：

（一）热电偶温度传感器

这是一种较为常用的温度传感器类型，它的特点主要包括：（1）结构简单，内部没有复杂的构件，它的温度测量精度较高，可用于多种环境中。（2）测量范围很广，且在实际的工作中不易受到外界环境的干扰，仍旧能够保持良好的工作状态。（3）热惯性十分小，输出的信号是电信号，而且这种信号能实现长距离传输和信号转换。（4）具体的使用中，它能对不同类型的物体进行测量，包括流体、固体等。

（二）电阻式温度传感器

这类传感器在实际的使用中具有较好的应用，电阻式温度传感器利用电阻随着温度变化而变化的特性制成，它的感温材料一般是金属材料，主要有铂电阻和铜电阻等，其中铂电阻的电阻温度系数稳定、线性度好、测量范围广阔，可用于工业测温元件。而铜电阻的成本低廉，工作时-50～150度范围内，电阻值与温度变化呈线性，在实际的应用中，往往使用在精度和范围要求不大的场所。

（三）半导体热敏电阻

这类温度传感器灵敏度高、体积小、使用便捷、具体应用方法简单，在实际使用中具有较高的应用价值。

（四）非接触式温度传感器

这类传感器的优点也较为明显，在具体的测量中，由于它不直接与介质接触，则可以忽略介质的物理特性影响，进而保障传感器的可靠性。非接触式温度传感器受空间的局限性较小，能够使用在一些特殊场所，如不易接触物体温度的测定。它還可用于一些不方便接触测量的装置，如旋转设备，达到测定温度的目的。但是它也存在一定的局限性，如容易受到环境干扰、不适合应用到长期监测项目中。

（五）数字温度传感器

这类传感器是当前较为先进的传感器类型，具有良好的控制能力，精度高，分辨率大，而且能够实现数据信息的快速传递，可实现数据信息的长距离传递。而且，在具体的测控系统中，它占地面积小，效能可靠，且能耗相对较低，具有较高的利用价值。

二、温度传感器的工作原理

（一）热电偶温度传感器

热电偶温度传感器应用的是热电效应原理：两种不同的金属a、b构成闭合回路，a、b我们称之为热电极。两个接点的温度不同，则回路中会产生电动势。热电偶由两种材料不同的导体或半导体焊接而成，我们称之为工作端或热端。和导线相连的一端，我们称之为自由端或冷端。在测量的过程中，工作端与待测物体相接处，仪表测量热电偶的电动势。为了使测量结果更为精确，在选择电极材料时，要选择物理、化学性质稳定、导电率高、电阻温度系数小的金属材料;热电动势与温度之间要呈线性或函数关系。

（二）电阻式温度传感器

热电偶温度传感器测量精确，且结构简单，但是测量范围有限，仅适用于测量500℃以上的温度。如果要测量-200℃到500℃之间的物体，需要使用电阻式温度传感器。一般金属，温度升高1℃，电阻将增加0.4%到0.6%。电阻式温度传感器可以将物体温度的变化转化为阻值的变化，再将这种变化以电信号的形式传送至仪表输出。

（三）半导体热敏电阻

半导体热敏电阻由一些金属氧化物采用不用的比例高温烧结而成，可根据不同的需求制成不同形状。相比于金属热电阻，半导体热敏电阻具有很高的电阻温度系数，灵敏度较高。体积小，热容量很小，可以用来测量快速变化的温度。

（四）非接触式温度传感器

非接触式温度传感器在使用的过程中与待测物体不接触，可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。非接触式温度传感器在原则上对被测物体温度上限没有限制，但是环境温度严重影响测量精度。

（五）数字温度传感器

以DS18B20温度传感器为例，对其具体的测温原理进行分析。如下图所示为DS18B20温度传感器的测温原理。在实际的工作中，低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，它的作用是产生脉冲信号，再将信号传递到计数器1中，高温度系数振荡器频率变化，并发出脉冲信号，传递到计数器2中，计数门打开时，DS18B20温度传感器对低温度系数振荡器的时钟脉冲后进行计数，实现具体的温度测量。下图中，减法计数器1工作时，接受到脉冲信号后，预置值发生变化，当变为0时，寄存器值将加1，之后减法计数器预置将再次变化，重新对脉冲信号进行计数，如此循环，当减法计数器2计数到0时，则停止累加，寄存器中的数值即为所测温度。

DS18B20温度传感器的测温原理

三、温度传感器的应用

（一）温度传感器在医疗行业的应用

温度传感器在医疗行业的应用屡见不鲜，例如菌苗、疫苗等生物制品在生产和运输过程中，为确保其质量，要时刻对疫苗、菌苗周围温度进行监测。温度传感器在其储存运输过程中可以进行全自动检测记录，排除人为因素，提高数据的可靠性。

（二）温度传感器在工业中的应用

温度传感器是工业上最常见的检测温度的元件。常见的锅炉加热一般采用接触式温度传感器，直接与被测对象接触，没有中间物质的影响，这种方式具有较高的测量精度。而且它具有较为广泛的测量范围，构造简单，使用方便。

（三）温度传感器在汽车上的应用

温度传感器可以测量汽车燃油、发动机进气、冷却水等的温度，可以将测量结果以电信号的形式输送至ECU。在所有的汽油机电控系统中，ECU进行控制所必需的温度参数是进气温度和冷却水温度，根据电控系统的控制需求不同，其余的温度参数也不尽相同。在这个过程中，可以使用扩散电阻式、金属芯式、半导体热敏电阻式以及热电偶式等多种温度传感器进行温度测量。在目前汽车行业中，热敏电阻式温度传感器在测量进气温度和冷却水温度中应用最为广泛。

（四）温度传感器在生活中的应用

通过温度传感器可以对室内温度进行调控，从而使我们生活在更舒适的环境中。尤其是在我们洗澡的时候，卫生间温度尤为重要，通过气体传感器和温度传感器能够很好地控制卫生间的环境。现在很多公共场所以及酒店都实现了温度的自动调控。温度传感器同时也广泛应用于家用电器，如微波炉、空调、电磁炉、洗衣机等。

（五）温度传感器在消防领域中的应用

建筑工程的消防系统是建筑工程的重要组成部分，能有效降低火灾隐患，提高建筑的整体安全系数。温度传感器可应用到建筑消防报警系统中，实现对温度信息的采集，并当温度达到预定上限时，发出火灾警报，促使消防系统迅速反应，實现对火灾的控制。以某一建筑工程为例，该建筑工程的火灾报警系统硬件部分包含：AT89C51、实时时钟电路DS1302、键盘与显示电路、RS485通信电路、MAX813L组成的看门狗、串行E2PROM存储器电路等部分，为保障温度信息的采集效果，该系统构建中选用多个温度传感器布置方式，并在不同的房间内设置相应的报警上限值，从而实现对不同房间温度的实时显示与报警。

（六）农业生产中的温度传感器应用

农业生产直接关系到人类日常生活所需蔬菜等作物。以蔬菜大棚为例，为保障大棚冬季蔬菜的正常生长，应加强对大棚的温度控制，为蔬菜营造良好的生长环境。而且，为避免温度过高或过低的情况，可借助温度传感器实现对大棚温度信息的采集，并且设置温度上限与下限，如果超出预设值，则能够发出报警信息，这样不仅利于大棚内部温度控制的效果，还可达到控制能源消耗的目的，避免制暖能源的浪费，符合绿色生态的环保理念。

随着社会的发展，不论是科学领域、工农业生产还是我们的日常生活，都离不开温度传感器。温度传感器的广泛应用对促进经济发展，推动社会进步都起着至关重要的作用。随着科技的发展，温度传感器将朝着智能化、自动化、高精度、多功能的方向发展。

参考文献：

[1]张妍，苏煜飞.温度传感器的研究和应用[J].现代制造技术与装备，2016（5）：143.

[2]丘素芳.DS18B20数字温度传感器的原理及应用分析[J]. 科学与财富，2017（12）.

[3]杨桃.浅谈温度传感嚣及其应用[J].商情，2017（30）.

[4]雷雪梅.数字温度传感器DS18B20的结构及应用简介[J].科技创新与应用，2017（2）：62.