从物理学角度来看，分子和原子的运动产生热量（动能），运动越剧烈，产生的热量就越多。温度传感器的作用就是测量物体或系统产生的热量或冷度，通过感知温度的物理变化，产生模拟或数字输出信号。

温度传感器的分类

温度传感器主要分为接触式和非接触式两种基本类型。

接触式温度传感器：这类传感器需要与被感测物体进行物理接触，通过传导的方式来监测温度变化。它可以用于检测固体、液体或气体在广泛温度范围内的温度。

非接触式温度传感器：利用对流和辐射来监测温度变化。它可以检测液体和气体在热上升和冷沉降过程中发出的辐射能量，或者检测物体以红外辐射形式传输的能量，例如太阳辐射。

这两种基本类型还可以进一步细分为机电式、电阻式和电子式三类传感器。

常见温度传感器类型

恒温器

恒温器是一种接触式机电温度传感器，本质上是一个开关。它通常由两种不同的金属（如镍、铜、钨或铝等）粘合在一起形成双金属条。当双金属条受热时，由于两种金属的线性膨胀率不同，会产生机械弯曲运动。

双金属条本身可以作为电气开关，或者作为在恒温控制中操作电气开关的机械方式。它广泛应用于控制锅炉、炉子、热水储罐以及车辆散热器冷却系统中的热水加热元件。

双金属恒温器有“瞬时动作”和“蠕动动作”两种类型。瞬时动作类型在设定温度点对电气触点产生瞬时“开/关”或“关/开”动作，常用于控制烤箱、熨斗、浸入式热水箱的温度设定点，以及家用加热系统。蠕动动作类型则随着温度变化逐渐改变位置，通常由双金属线圈或螺旋组成，对温度变化更敏感，适合用于温度计和刻度盘等。

不过，标准瞬时动作类型恒温器存在一个主要缺点，即从电气触点打开到再次关闭，有较大的滞后范围，导致温度波动较大。商业上可用的家用双金属恒温器通常配备温度调节螺钉，可更精确地预设所需温度设定点和滞后水平。

图1双金属条恒温器

热敏电阻

热敏电阻是一种特殊类型的电阻器，其名称是“热敏电阻”的组合。当暴露于温度变化时，它的物理电阻会发生改变。

热敏电阻通常由陶瓷材料制成，如镍、锰或钴的氧化物涂覆在玻璃中，因此比较容易损坏。与瞬时动作类型的传感器相比，热敏电阻对温度变化的响应速度更快，准确性和重复性更高。

大多数热敏电阻具有负温度系数（NTC），即电阻值随温度升高而下降；也有一些具有正温度系数（PTC），电阻值随温度升高而上升。

热敏电阻由陶瓷型半导体材料制成，使用金属氧化物技术，如锰、钴和镍等。半导体材料通常形成小压制盘或球，并密封起来，以对温度变化提供相对快速的响应。

热敏电阻按室温（通常为25°C）下的电阻值、时间常数（对温度变化的反应时间）和相对于通过它们的电流的额定功率进行评级。对于传感目的，通常使用千欧姆值的类型。

由于热敏电阻是被动电阻器件，需要通过它传递电流以产生可测量的电压输出。因此，热敏电阻通常与合适的偏置电阻串联，形成分压网络，通过选择合适的电阻，可以在某些预定温度点或值下获得电压输出。

需要注意的是，热敏电阻是非线性器件，其在室温下的标准电阻值在不同热敏电阻之间可能不同，这主要是由于它们由半导体材料制成。热敏电阻具有随温度的指数变化，因此具有Beta温度常数（β），可用于计算其在任何给定温度点的电阻。当与串联电阻一起使用时，响应于施加到分压网络的电压获得的电流随温度线性变化，电阻上的输出电压也随温度线性变化。

图2热敏电阻

电阻温度检测器（RTD）

电阻温度检测器（RTD）是由高纯度导电金属（如铂、铜或镍）绕成线圈制成的精密温度传感器，其电阻随温度变化而变化，类似于热敏电阻。此外，还有薄膜RTD，它是在白色陶瓷基板上沉积一层铂浆薄膜制成的。

RTD具有正温度系数（PTC），与热敏电阻不同的是，它的输出非常线性，能够产生非常准确的温度测量结果。然而，它的热灵敏度较差，温度变化仅产生非常小的输出变化，例如1Ω/°C。

更常见的RTD类型由铂制成，称为铂电阻温度计或PRT，其中最常用的是Pt100传感器，其在0°C时的标准电阻值为100Ω。但铂的价格昂贵，这也是这种类型设备的主要缺点之一。

与热敏电阻一样，RTD也是被动电阻器件，通过向温度传感器传递恒定电流，可以获得随温度线性增加的输出电压。典型的RTD在0°C时的基本电阻约为100Ω，在100°C时增加到约140Ω，工作温度范围在-200至+600°C之间。

由于RTD是电阻器件，需要通过它们传递电流并监测产生的电压。但电流通过时电阻线的自热会导致I²R（欧姆定律）读数误差。为了避免这种情况，RTD通常连接到惠斯通电桥网络中，该网络具有额外的连接线用于引线补偿和/或连接到恒定电流源。

图3电阻RTD

热电偶

热电偶是目前应用最广泛的温度传感器类型，因其简单性、易用性和对温度变化的快速响应而受到青睐，这主要得益于其小尺寸。此外，热电偶具有所有温度传感器中最宽的温度范围，从低于-200°C到超过2000°C。

热电偶是热电传感器，由两种不同金属（如铜和康铜）的两个接点组成，这些接点焊接或压接在一起。一个接点保持在恒定温度，称为参考（冷）接点，另一个接点是测量（热）接点。当两个接点处于不同温度时，接点之间会产生电压，用于测量温度。

热电偶的工作原理基于“热电”效应，当两种不同金属熔合在一起时，接点会产生仅几毫伏（mV）的恒定电位差，这种电位差称为“塞贝克效应”，是由于沿导线的温度梯度产生的电动势。因此，热电偶的输出电压是温度变化的函数。

如果两个接点处于相同温度，则电位差为零，即没有电压输出；当接点处于不同温度时，将检测到相对于两个接点之间温度差的电压输出，且该电压差随温度增加，直到达到接点的峰值电压水平，这由所使用的两种不同金属的特性决定。

热电偶可以由各种不同材料制成，以测量-200°C至超过+2000°C的极端温度。由于材料和温度范围的选择广泛，已经开发了国际认可的标准，并附有热电偶颜色代码，以帮助用户为特定应用选择正确的热电偶传感器。

热电偶的输出电压非常小，温度差每变化10°C仅几毫伏（mV），因此通常需要某种形式的放大。放大器的类型需要仔细选择，因为需要良好的漂移稳定性以防止频繁重新校准热电偶，斩波器和仪器放大器类型更适合大多数温度传感应用。

图4热电偶温度传感器

其他温度传感器类型

除了上述几种常见的温度传感器外，还有半导体结传感器、红外和热辐射传感器、医用温度计、指示器和颜色变化墨水或染料等。

综上所述，不同类型的温度传感器具有各自的特点和适用场景。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的温度传感器，以确保准确、可靠地测量温度。