温度传感器分类和原理

发布时间:

2025-11-28

温度传感器是一种用于测量温度的器件，其原理是将温度转换为可被测量和记录的电信号。按测量原理来分，通过是否需要接触来对市场上的温度传感器进行划分，分成接触式和非接触式两类；按输出信号进行划分，我们可以分为模拟输出（电阻变化、电压变化等）和数字输出（如通过I2C、SPI、1-Wire等协议直接输出数字温度值）。这两种划分较为常见，下面是基于第一种划分方式来讨论其工作原理以及应用领域。

一、接触式

接触式传感器常见的是以下几种类型：

（一）热电偶传感器

温度传感器的主要工作原理是热电效应。热电效应是指当两种不同材料组成的电路连接时，由于温度差异，电路中会出现电流的现象。这个电流被称为热电流。热电偶就是利用热电效应来测量温度的。

热电偶的基本原理是将两种不同材料的金属线焊接在一起，形成一个闭合电路。当两个金属线连接处的温度不同时，由于热电效应，电路中会出现热电流。这个热电流的大小取决于两个金属材料的性质以及它们之间的温度差异。因此，通过测量热电流的大小，可以确定两个金属线连接处的温度差。

（注：来源于网络）

这类传感器的核心优势在于测量范围极广，且具备耐高温、抗振动、响应速度快的特点，因此常用于工业窑炉、航空发动机、核电设备等极端温度场景。不过，热电偶的测量精度受材质一致性、冷端温度补偿效果影响较大，通常需要搭配专用补偿电路使用。

（二）热电阻传感器

热电阻是一种基于电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度的传感器。它利用金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，通过测量电阻值的变化来推算出温度值。热电阻大都由纯金属材料制成，应用最多的是铂和铜，此外已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻的测温原理是基于电阻的热效应进行温度测量，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：R_t=R_t0[1+α(t-t₀)]。式中，R_t为温度t时的阻值；R_t0为温度t₀（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

热电阻的主要种类包括普通型热电阻、铠装热电阻、端面热电阻和隔爆型热电阻等。其中，铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，具有体积小、内部无空气隙、热惯性小、测量滞后小、使用寿命长等优点。热电阻在中低温区是最常用的温度检测器之一，具有测量精度高、性能稳定等特点。金属热电阻一般适用于-200～500℃范围内的温度测量，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。半导体热敏电阻的测温范围则通常在-50～300℃左右，测量准确、稳定性好、性能可靠，在程序控制等精确测量的场合应用广泛

（四）晶体管温度传感器

晶体管温度传感器是一种利用半导体材料的电学性质随温度变化而变化的特性来测量温度的传感器。它们通常由一个或多个晶体管构成，这些晶体管的基极-发射极电压(V_BE)或集电极电流(I_C)会随着温度的变化而变化。

在双极型晶体管（BJT）温度传感器中，同一晶体管在两个成比例的电流下工作，并测量两者对应的V_BE差值；这个电压差与绝对温度成正比，且能有效消除工艺偏差等误差，最终通过芯片内部的电路将这一电压信号转换为高精度的数字温度值输出。而场效应晶体管（FET）温度传感器则是利用FET的漏极电流随温度变化的特性来测量温度。具有高精度、快速响应、低功耗和易于集成等特点，广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域。

（五）膨胀温度计

该类主要是利用物质热胀冷缩来测量温度，比如，玻璃管温度计利用液体（如水银、酒精）的热胀冷缩的特性，根据差值来测量温度的变化；双金属温度计利用两种不同金属片因膨胀系数不同而在受热时弯曲的特性来驱动指针。主要用于那些对测量精度要求不高，但需要直观、稳定、免维护的现场指示场合。

（六）集成温度传感器

集成温度传感器是一种将温度敏感元件、信号处理电路及接口电路集成于一体的温度测量装置，其核心原理是通过感知温度变化并转化为可量化的电信号输出，比如，单总线温度传感器DB18B20，可直接将温度转化成数字信号传送给单片机处理，可省去传统的信号放大、A/D转换等外围电路，主要用于消费电子、计算机、数据采集系统、环境监测等。

二、非接触式

这类传感器通过感知物体发出的热辐射来测量其表面温度，无需物理接触。疫情期间，我们采用红外线测温仪。红外测温仪/热像仪利用黑体辐射定律，任何高于绝对零度的物体都会向外辐射红外线，其辐射能量与物体表面温度的四次方成正比。传感器通过光学系统收集红外辐射能量，并将其聚焦到红外探测元件上，转换为电信号后再计算出温度。主要用于建筑节能检测、医疗等。

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