溫度傳感器的原理及應用，溫度與我們的生活是息息相關的，它是反應物體冷熱狀態的參數，而溫度傳感器作爲監測溫度的重要手段之一，爲人民的生活帶來了極大的方便，下面來了解溫度傳感器的原理及應用。
溫度傳感器工作原理：
作爲傳感器無非是把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。對於轉換形式來說有兩類：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源。
無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能，傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態可以是靜態的，也可以是動態(即過程)的。
對象特性被轉換量化後可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的，也可以是化學性質的。按照其工作原理，它將對象特性或狀態參數轉換成可測定的電學量，然後將此電信號分離出來，送入傳感器系統加以評測或標示，這樣傳感器的工作就結束了。
溫度傳感器應用：
在科技發展日新月異的今天，電子溫度傳感器由於其對於安全保障的重要作用，已經被廣泛應用於如生物製藥、無菌室、潔淨廠房、電信、銀行、圖書館、檔案館、文物館、智能樓宇等各行各業需要溫度監測的場所和領域。而最爲廣泛的邊是計算機機房，下面就以計算機機房爲例講解電子溫度傳感器在機房中的應用
擔當信息處理與交換重任的機房是整個信息網絡工程的數據傳輸中心、數據處理中心和數據交換中心。爲保證機房設備正常運行及工作人員有一個良好的工作環境，對機房溫溼度的監測是必不可少的，合理正常的溫溼度環境是機房設備正常運行的重要保障。
隨着計算機技術的不斷髮展和計算機系統的廣泛使用，機房環境必須滿足計算機設備對溫度、溼度等技術要求。
機房的溫度和溼度作爲計算機設備正常運行的必要條件，我們必須在機房的合理位置安裝溫度傳感器，以實現對溫度、溼度進行24小時實時監測，並能在中控室的監測主機上實時顯示各個位置的溫度測量值。
1、溫度傳感器
許多人可能聽過溫度傳感器，知道它是測量溫度的，但具體的定義並不清楚。溫度傳感器是指能感受溫度並轉換成可用輸出信號的傳感器。
溫度傳感器品種繁多，主要分爲四類，分別是熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、電阻溫度檢測器以及IC溫度傳感器，其中IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種。溫度的測量及控制對提高工作效率、保證生產品質以及促進經濟發展有着至關重要的作用。
由於溫度傳感器是通過感知物體隨溫度變化而某種特性發生變化測得的，因而能當作溫度傳感器的材料有很多，如電阻的阻值可以隨着溫度的變化而變化，物質的熱脹冷縮等，因而隨着科技的發展，越來越多的溫度傳感器會不斷出現在人們的身邊。下面我們主要介紹四大類溫度傳感器。
2、熱電偶傳感器
兩種不同導體或半導體的組合稱爲熱電偶，熱電勢EAB(T，T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質及在接觸點的溫度有關。
熱電偶測溫度的基本原理是當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個迴路，其相互連接時，只要兩結點處的溫度不同，一端溫度爲T，稱爲工作端，另一端溫度爲TO，稱爲自由端，則迴路中就有電流產生，即迴路中存在的電動勢稱爲熱電動勢。這種由於溫度不同而產生電動勢的現象稱爲塞貝克效應。根據熱電動勢與溫度的函數關係可以求得溫度。
圖1 熱電偶傳感器
熱電偶傳感器裝配簡單，更換方便，是壓簧式感溫元件，抗震性好。它的測量範圍大，一般是-200℃~1300℃，特殊情況下最低測量溫度可達-270℃，最高測量溫度達2800℃。除此之外，熱電偶傳感器機械強度高，耐壓性好，製作工藝簡單，價格便宜，在許多領域都能見識到它的身影。
根據熱電偶傳感器的特性要求熱電偶的材料溫度測量範圍廣，溫度線性度好，測量準確度高，輸出熱電動勢大，熱電性能穩定，物理化學性能好，不蒸發抗氧化等等。我國標準的熱電偶有六種，分別是銅-康銅，鎳鉻-考銅，鎳鉻-鎳硅，鎳鉻-鎳鋁，鉑銠10-鉑，鉑銠30-鉑銠6。
3、熱敏電阻傳感器
熱敏電阻是敏感元件的一類，熱敏電阻的電阻值會隨着溫度的變化而改變，與一般的`固定電阻不同，屬於可變電阻的一類，廣泛應用於各種電子元器件中。不同於電阻溫度計使用純金屬，在熱敏電阻器中使用的材料通常是陶瓷或聚合物。
正溫度係數熱敏電阻器在溫度越高時電阻值越大，負溫度係數熱敏電阻器在溫度越高時電阻值越低，它們同屬於半導體器件。熱敏電阻通常在有限的溫度範圍內實現較高的精度，通常是-90℃130℃。
圖2 熱敏電阻傳感器
熱敏電阻的主要特點是靈敏度高，電阻溫度係數比金屬大十倍以上，工作範圍廣，目前最高能測2000℃，最低能測-273℃。且熱敏電阻體積小，使用方便，易加工成複雜形狀，可大批量生產。
4、電阻溫度檢測器
一種物質材料作成的電阻,它會隨溫度的上升而改變電阻值,如果它隨溫度的上升而電阻值也跟著上升就稱爲正電阻係數,如果它隨溫度的上升而電阻值反而下降就稱爲負電阻係數。
熱電阻測溫是基於金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料製成，目前應用最多的是鉑和銅，此外，現在已開始採用鎳、錳和銠等材料製造熱電阻。
電阻式溫度檢測器是最準確的溫度傳感器之一，它不僅提供良好的精度，也提供了出色的穩定性和可重複性。大多OMEGA的標準電阻溫度檢測器都符合DIN-IEC B類標準。除此之外，電阻溫度檢測器還相對防止電氣噪聲，因此非常適合在工業環境中的溫度測量，特別是在電動機和發電機及其他高壓設備的周圍使用。
圖3 電阻溫度檢測器
5、IC溫度傳感器
模擬溫度傳感器
圖4 模擬溫度傳感器
常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型等。AD590是電流輸出型溫度傳感器，供電電壓範圍是3~30V，輸出電流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），靈敏度爲1μA/℃。
當在電路中串接採樣電阻R時，R兩端的電壓可作爲輸出電壓注意R的阻值不能取太大，以保證AD590兩端電壓不低於3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作爲一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用於多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。
數字式溫度傳感器
輸出爲佔空比的數字溫度傳感器採用硅工藝生產的數字式溫度傳感器，其採用PTAT結構，這種半導體結構具有精確的，與溫度相關的良好輸出特性。PTAT的輸出通過佔空比比較器調製成數字信號，佔空比與溫度的關係如下式：DC=0、32+0、0047*t，t爲攝氏度。
輸出數字信號故與微處理器MCU兼容，通過處理器的高頻採樣可算出輸出電壓方波信號的佔空比，即可得到溫度。該款溫度傳感器因其特殊工藝，分辨率優於0、005K。測量溫度範圍-45到130℃，故廣泛被用於高精度場合。
圖5 數字式溫度傳感器
若是採用數字式接口的溫度傳感器，則可通過單線和微處理器進行溫度數據的傳送，輸出的方波信號具有正比於絕對溫度的週期，利用微處理器內部的計數器測出週期後就可計算出溫度。
可多點檢測、直接輸出數字量的數字溫度傳感器一般在芯片上分別設置了一個振盪頻率溫度係數較大的振盪器和一個溫度係數較小的振盪器。
在溫度較低時，由於溫度係數較小的振盪器開門時間較短，因此溫度測量值較小，當溫度較高時，其計數值增大，上述計數值基礎上再加上一個同實際溫度差的校正數據構成了精密的數字式溫度傳感器。
6、溫度傳感器的應用
在汽車領域中的應用---車用傳感器是汽車電子設備的重要組成部分，它們擔負着信息收集的任務。在汽車電噴發動機系統、自動空調系統中，溫度是需要測量和控制的重要參數之一。發動機熱狀態的測量、氣體和液體溫度的測量都需要用到溫度傳感器。試想一下，在一個炎熱的夏天，你坐着一輛沒有空調的車去往你的目的地，這是一件多麼恐怖的事。因此，車用溫度傳感器必不可少。
在家用電器中的應用---溫度傳感器廣泛應用於家用電器，如微波爐、空調、油煙機、吹風機、烤麪包機、電磁爐、炒鍋、冰箱、熱水器、飲水機、洗衣機等等。
在醫藥方面的應用---現如今，諸多藥品的研發與生產也開始對溫度有了要求，如何保證藥品在研發到運輸到存儲或食用這幾個階段內依舊安全有效，醫藥鏈溫度監測是重中之重。有效使用溫度傳感器，病人患者的生命安全得到保障。
7、 總結
溫度傳感器種類數量繁多，功能強大，已經深深的影響並改變了人們的生活。相信隨着科學技術的發展，功能越來越強大且完善的溫度傳感器會使人們的生活水平越來越高，會給人們帶來越來越多的便利，也會給人們的生命安全帶來更多的保障。
熱敏電阻器
用來測量溫度的傳感器種類很多，熱敏電阻器就是其中之一。許多熱敏電阻具有負溫度係數(NTC)，也就是說溫度下降時它的電阻值會升高。在所有被動式溫度傳感器中，熱敏電阻的靈敏度(即溫度每變化一度時電阻的變化)最高，但熱敏電阻的電阻/溫度曲線是非線性的。
表1是一個典型的NTC熱敏電阻器性能參數。
這些數據是對Vishay-Dale熱敏電阻進行量測得到的，但它也代表了NTC熱敏電阻的總體情況。其中電阻值以一個比率形式給出(R/R25)，該比率表示當前溫度下的阻值與25℃時的阻值之比，通常同一系列的熱敏電阻器具有類似的特性和相同電阻/溫度曲線。
以表1中的熱敏電阻系列爲例，25℃時阻值爲10KΩ的電阻，在0℃時電阻爲28.1KΩ，60℃時電阻爲4.086KΩ;與此類似，25℃時電阻爲5KΩ的熱敏電阻在0℃時電阻則爲 14.050KΩ。
圖1是熱敏電阻的溫度曲線，可以看到電阻/溫度曲線是非線性的。
雖然這裏的熱敏電阻數據以10℃爲增量，但有些熱敏電阻可以以5℃甚至1℃爲增量。如果想要知道兩點之間某一溫度下的阻值，可以用這個曲線來估計，也可以直接計算出電阻值，計算公式如下：
這裏T指開氏絕對溫度，A、B、C、D是常數，根據熱敏電阻的特性而各有不同，這些參數由熱敏電阻的製造商提供。
熱敏電阻一般有一個誤差範圍，用來規定樣品之間的一致性。根據使用的材料不同，誤差值通常在1%至10%之間。有些熱敏電阻設計成應用時可以互換，用於不能進行現場調節的場合，例如一臺儀器，用戶或現場工程師只能更換熱敏電阻而無法進行校準，這種熱敏電阻比普通的精度要高很多，也要貴得多。
圖2是利用熱敏電阻測量溫度的典型電路。電阻R1將熱敏電阻的電壓拉昇到參考電壓，一般它與ADC的參考電壓一致，因此如果ADC的參考電壓是5V，Vref也將是5V。熱敏電阻和電阻串聯產生分壓，其阻值變化使得節點處的電壓也產生變化，該電路的精度取決於熱敏電阻和電阻的誤差以及參考電壓的精度。
自熱問題
由於熱敏電阻是一個電阻，電流流過它時會產生一定的熱量，因此電路設計人員應確保拉昇電阻足夠大，以防止熱敏電阻自熱過度，否則系統測量的是熱敏電阻發出的熱，而不是周圍環境的溫度。
熱敏電阻消耗的能量對溫度的影響用耗散常數來表示，它指將熱敏電阻溫度提高比環境溫度高1℃所需要的毫瓦數。耗散常數因熱敏電阻的封裝、管腳規格、包封材料及其它因素不同而不一樣。
系統所允許的自熱量及限流電阻大小由測量精度決定，測量精度爲±5℃的測量系統比精度爲±1℃測量系統可承受的熱敏電阻自熱要大。
應注意拉昇電阻的阻值必須進行計算，以限定整個測量溫度範圍內的自熱功耗。給定出電阻值以後，由於熱敏電阻阻值變化，耗散功率在不同溫度下也有所不同。
有時需要對熱敏電阻的輸入進行標定以便得到合適的溫度分辨率，圖3是一個將10～40℃溫度範圍擴展到ADC整個0～5V輸入區間的電路。
運算放大器輸出公式如下：
一旦熱敏電阻的輸入標定完成以後，就可以用圖表表示出實際電阻與溫度的對應情況。由於熱敏電阻是非線性的，所以需要用圖表表示，系統要知道對應每一個溫度ADC的值是多少，表的精度具體是以1℃爲增量還是以5℃爲增量要根據具體應用來定。
累積誤差
用熱敏電阻測量溫度時，在輸入電路中要選擇好傳感器及其它元件，以便和所需要的精度相匹配。有些場合需要精度爲1%的電阻，而有些可能需要精度爲0.1%的電阻。在任何情況下都應用一張表格算出所有元件的累積誤差對測量精度的影響，這些元件包括電阻、參考電壓及熱敏電阻本身。
如果要求精度高而又想少花一點錢，則需要在系統構建好後對它進行校準，由於線路板及熱敏電阻必須在現場更換，所以一般情況下不建議這樣做。在設備不能作現場更換或工程師有其它方法監控溫度的情況下，也可以讓軟件建一張溫度對應ADC變化的表格，這時需要用其它工具測量實際溫度值，軟件才能創建相對應的表格。
對於有些必須要現場更換熱敏電阻的系統，可以將要更換的元件(傳感器或整個模擬前端)在出廠前就校準好，並把校準結果保存在磁盤或其它存儲介質上，當然，元件更換後軟件必須要能夠知道使用校準後的數據。
總的來說，熱敏電阻是一種低成本溫度測量方法，而且使用也很簡單，下面我們介紹電阻溫度探測器和熱電偶溫度傳感器。
電阻溫度探測器
電阻溫度探測器(RTD)實際上是一根特殊的導線，它的電阻隨溫度變化而變化，通常RTD材料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金。RTD元件可以是一根導線，也可以是一層薄膜，採用電鍍或濺射的方法塗敷在陶瓷類材料基底上。
RTD的電阻值以0℃阻值作爲標稱值。0℃ 100Ω鉑RTD電阻在1℃時它的阻值通常爲100.39Ω，50℃時爲119.4Ω，圖4是RTD電阻/溫度曲線與熱敏電阻的電阻/溫度曲線的比較。RTD的誤差要比熱敏電阻小，對於鉑來說，誤差一般在0.01%，鎳一般爲0.5%。除誤差和電阻較小以外，RTD與熱敏電阻的接口電路基本相同。
熱電偶
熱電偶由兩種不同金屬結合而成，它受熱時會產生微小的電壓，電壓大小取決於組成熱電偶的兩種金屬材料，鐵-康銅(J型)、銅-康銅(T型)和鉻-鋁(K型)熱電偶是最常用的三種。
熱電偶產生的電壓很小，通常只有幾毫伏。K型熱電偶溫度每變化1℃時電壓變化只有大約40μV，因此測量系統要能測出4μV的電壓變化測量精度纔可以達到0.1℃。
由於兩種不同類型的金屬結合在一起會產生電位差，所以熱電偶與測量系統的連接也會產生電壓。一般把連接點放在隔熱塊上以減小這一影響，使兩個節點處以同一溫度下，從而降低誤差。有時候也會測量隔熱塊的溫度，以補償溫度的影響(圖5)。
測量熱電偶電壓要求的增益一般爲100到300，而熱電偶擷取的噪聲也會放大同樣的倍數。通常採用測量放大器來放大信號，因爲它可以除去熱電偶連線裏的共模噪聲。市場上還可以買到熱電偶信號調節器，如模擬器件公司的AD594/595，可用來簡化硬件接口。
固態熱傳感器
最簡單的半導體溫度傳感器就是一個PN結，例如二極管或晶體管基極-發射極之間的PN結。如果一個恆定電流流過正向偏置的硅 PN結，正向壓降在溫度每變化1℃時會降低1.8mV。
很多IC利用半導體的這一特性來測量溫度，包括美信的MAX1617、國半的LM335和LM74 等等。半導體傳感器的接口形式多樣，從電壓輸出到串行SPI/微線接口都可以。
溫度傳感器種類很多，通過正確地選擇軟件和硬件，一定可以找到適合自己應用的傳感器。
