一、溫度傳感器基本概念

1、溫度

溫度(temperature)是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度，溫度越高，表示物體內部分子熱運動越劇烈。

溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點(零點)和測量溫度的基本單位。國際單位為熱力學標(K)。目前國際上用得較多的其他溫標有華氏溫標(°F)、攝氏溫標(°C)和國際實用溫標。

從分子運動論觀點看，溫度是物體分子運動平均動能的標志。溫度是大量分子熱運動的集體表現，含有統計意義。

2、溫度傳感器

溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器，是實現溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應用最廣泛、發展最快的傳感器之一。工業生產自動化流程，溫度測量點要占全部測量點的一半左右。

3、溫度傳感器構成

二、溫度傳感器的發展

對熱冷的感知是人類體驗的基礎，然而找出測量溫度的方法卻難倒了很多偉人。目前尚不清楚是古希臘人還是中國人最早找到測溫的方法，但有資料記載，溫度傳感器的歷史是從文藝復興時期開始。

我們先從溫度測量面臨的挑戰開始，然后從不同方面介紹了溫度傳感器的發展歷史【資料來源于 OMEGA 工業測量白皮書文件】：

1、測量的挑戰

熱量是用來衡量一個整體或物體所含的能量，能量越大，溫度越高。然而，與質量和長度等物理性質不同，熱量難以直接衡量，因此大部分測量方法都是間接的，通過觀察加熱時物體的效果來推斷溫度。因此，熱量的測量標準一直是一個挑戰。

在1664年，羅伯特·胡克提議用水的冰點作為溫度的基準點。奧勒·雷默則認為要確定兩個固定點，他選擇了胡克的冰點和水的沸點。但是，如何測量熱物體和冷物體的溫度一直是一個問題。19世紀，研究氣體定律的科學家蓋·呂薩克等人發現，當氣體在恒壓下受熱時，溫度升高1攝氏度，體積會增大1/267（后來修改為1/273.15），推導出了絕對零度-273.15℃的概念。

2、觀察膨脹：液體和雙金屬

根據報道，據信伽利略在1592年左右曾制造過一種顯示溫度變化的裝置。這個裝置通過控制一個容器內空氣的收縮來影響水柱，水柱的高度表示冷卻的程度。但由于這種裝置很容易受到氣壓的影響，因此只能被視為是一種新奇的玩具。

目前我們所知的溫度計是由三托里奧（SantorioSantorii）在意大利于 1612年發明的。他把液體密封在一個玻璃管內，觀察其膨脹時的移動。

在管子上做一些刻度更容易觀察變化，但這套系統還是缺少精準的單元。和雷默一起共事的是加布里埃爾·華倫海特。他用酒精和水銀作為液體，開始生產溫度計。水銀是完美的，因為它在一個大范圍內對溫度變化有著線性的響應，但毒性大，因此現在使用越來越少。人們正在研究其他可替代的液體，但目前仍被廣泛使用。

雙金屬溫度傳感器發明于 19 世紀末期。它利用了兩種金屬片結合時的不均勻膨脹現象。溫度改變造成金屬片彎曲，這可用來激活類似于用在氣格柵里的恒溫器或計量器。這種傳感器的精度不高，可能是正負兩度，但因其低廉的價格，應用也十分廣泛。

3、熱電效應

在19世紀初期，電學是一項令人興奮的領域。科學家發現不同金屬具有不同的電阻和傳導性。1821年，托馬斯·約翰塞貝克發現了熱電效應，即將不同金屬連接在一起并放置在不同溫度下可產生電壓。戴維演示了金屬電阻率和溫度的相關性。貝克雷爾提議使用鉑-鉑熱電偶進行溫度測量，真正的裝置是在1829年由利奧波德創造的。鉑也可用于電阻溫度探測器中，由邁爾斯于1932年發明。它是測量溫度的最精確傳感器之一。

繞線 RTD具有易碎的特征，因此不適合工業應用。近些年見證了薄膜 RTD 的發展，薄膜RTD 精度不及繞線 RTD，但它更加堅固。20世紀也見證了半導體測溫設備的發明。半導體測溫設備響應溫度變化，且具有高精度，但直到最近，它還是缺少線性度。

4、熱輻射

非常熱的金屬和熔融金屬會發熱，散發出熱量和可見光。在較低溫度下，它們也會輻射熱能，但具有更長的波長。英國天文學家威廉·赫歇爾在 1800 年首次發現這個“模糊”光或紅外光會產熱。

在和同胞梅洛尼一起工作時，羅貝里發現了探測這種輻射能量的方法，即把熱電偶一系列地連接起來，產生熱電堆。緊接其后的是 1878 年的輻射熱測定器。這由美國塞繆爾·蘭利發明，它采用兩根鉑條，一根在單臂電橋安排中變黑。紅外輻射加熱產生了可測量的電阻變化。輻射熱測定器對大范圍波長的紅外線很敏感。

與此相反，自 1940 年代開始發展的輻射量子探測器類型的設備只對一個有限波段內的紅外線做出響應。今天，價格便宜的高溫計應用十分廣泛，而且熱成像攝像機價格下滑，應用將會更加廣泛。

5、溫標

當華氏制作溫度計時，他意識到他需要一個溫標。他把30度鹽水設為冰點，超過180度鹽水設為沸點。25 年后，安德斯·攝氏提議用 0 —100 的標度，今天的“攝氏度”也是用他名字命名的。

后來，威廉·湯姆森發現在標度一端設定固定點的好處，隨后，開爾文提議把絕對零度設置為攝氏度系統的起點。這就形成了今天科學領域使用的開氏溫標。

三、溫度傳感器分類

溫度傳感器種類繁多，按照不同的分類標準有不同的名稱。

1、按測量方式分類

按照測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。

1.1 接觸式溫度傳感器：

傳感器直接與被測物體接觸進行溫度測量，由于被測物體的熱量傳遞給傳感器，降低了被測物體溫度，特別是被測物體熱容量較小時，測量精度較低。因此采用這種方式要測得物體的真實溫度的前提條件，是被測物體的熱容量足夠大。

1.2 非接觸式溫度傳感器：

主要是利用被測物體熱輻射而發出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙測。其制造成本較高，測量精度卻較低。優點是不從被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連續測量不會產生消耗；反應快等。

2、按照不同的物理現象分類

此外，還有微波測溫溫度傳感器、噪聲測溫溫度傳感器、溫度圖測溫溫度傳感器、熱流計、射流測溫計、核磁共振測溫計、穆斯保爾效應測溫計、約瑟夫遜效應測溫計、低溫超導轉換測溫計、光纖溫度傳感器等。這些溫度傳感器有的已獲得應用，有的尚在研制中。