温度传感器的设计与测试

于洋 张艳华

(北京强度环境研究所 北京 100076)

随着科技的飞速发展，温度传感器的应用范围越来越广泛，在日常生活随处可见，给人们的生活和工业生产带来了很大的方便。温度传感器把与半导体相关的材料和电路属性有机结合在一起，从而达到精准计量周围环境温度的目的。温度传感器给我们的生活带来了很多便利，是人们生活中的必需产品，其应用范围涉及很多领域，如家用电器、电子产品、各种汽车等。温度传感器能高效地测量各种物体的温度，防止由于电器过热而导致电线短路的现象发生。该文对温度传感器的设计与测试问题进行了简要分析。

1 温度传感器概述

1.1 温度传感器定义与目的

温度传感器广泛运用在人们的生活之中，特别是自从新冠疫情以来，尤其需要在各大公共场所如地铁站、商场这些位置进出口安装温度传感器，来实时检测进出行人的身体温度。精确的测量可以避免疫情传播的风险，及时发出警报，保护进出行人的生命健康安全。此外，单独的温度计等产品也是家中常备的必需品，比如家中的火警报警系统，最重要的就是温度、烟雾报警器，一旦温度超过阈值，就会发出警报，及时保护生命财产安全。温度传感器的定义是，它能感受到物体或者环境的温度，并且将之转化成可用输出信息的一种传感器，通常温度传感器的制作是结合NTC 的阻值随着温度的变化而输出信号，有效地将物理量成功地转化为电学量，从而精准地对温度进行测量的一个器件。在科技快速发展的今天，温度传感器的技术已经逐渐被大家所熟知，并且逐渐普及到千家万户。目前，工业、农业、航空航天、医药、交通、石油化工等，各行各业和人们的生活都离不开温度传感器[1]。

温度传感器可以测量和控制某种物体温度，还能测定风速、流速，测量温度、微波的功率和紫外光、红外光，不仅如此，温度传感器还同时应用于冰箱、电视、热水器、空调、电脑显示器、厨房里的设备、汽车等众多领域。现在众多的产品中都会应用温度传感器这个高新技术，就是为了用于预防电线短路的现象发生。由此可见，温度传感器对我们的生活非常重要。近几年，随着科学领域、汽车领域、电子行业的飞速发展，也促使温度传感器的应用也在不断增长[2]。

1.2 常见温度传感器

目前，常用的温度传感器有铂电阻温度传感器、PN 结温度传感器、集成温度传感器等，根据传感器的需求和所处环境来选用不同的温度传感器。

铂电阻温度传感器是常见的传感器，其功能来源于铂电阻的性质。一般金属导体将会随温度的变化而导致电阻值波动，由此可以依照这个原理检测电阻值和环境温度的关系。铂电阻温度传感器的原理就是通过检测铂电阻变化而检测环境温度。

这样的原理也说明，如果使用金属导体制备温度传感器，需求金属导体的电阻率高、热容量小、反应速度快。这类金属有如铁、镍、铂、铜等，然而由于铁、镍稳定性较差，难以提纯，铜、铂性能较好，两者相比之下，铂的相关性质更适用温度传感器所面临的环境，由此，铂电阻制备温度传感器十分普遍。

在0 ℃～630.74 ℃映射关系为

在-200 ℃～0 ℃映射关系为

而PN结温度传感器原理来源于晶体管的PN结的结电压可以和被测环境温度呈现出近似线性变化的特性，由此利用晶体管制备的温度传感器就可以完成温度测量。在给定电流模式下，PN结的正向电压和环境温度存在良好线性关系。在给定电流博士下，其加载正向电压UF大于kbT/e时期对应正向电流IF与对应正向电压UF产生映射关系，由此可以分析得到被测温度[3]。

集成温度传感器是集成辅助电路和温敏晶体管在集成化温度传感器。这种温度传感器类似于集成电路，性能比较稳定，具备较为理想的线性关系[4]。

2 温度传感器的设计目标

2.1 设计结构

温度传感器是一个温度传感元件，它的信号输出就是由单片机通过对数据进行处理而完成的，温度值是通过数码管来显示的。提供的温度必须是通过外接5～12 V的直流电源来显示，范围控制在-55 ℃～125 ℃之内，精准度必须达到1 ℃，数码管才能显示整数的温度。温度传感器具有声光报警功能，如果将报警温度设置成30 ℃，当温度在30 ℃以内时就会处于正常工作的状态；反之，一旦温度达到了30 ℃，二极管就会发出光亮，同时也会听见声响，那是蜂鸣器发出的报警声音。如果在工作中不需要控制温度，就可以提前设置，将报警的温度适当调高。如果工作中需要控制一小部分的温度，那么就可以利用引线引出温度传感器，同时要控制好距离，不宜过大，还要注意绝缘的问题，防止触电[5]。由设计理念可见温度测量系统会具有采集系统、显示处理系统、报警系统和测温传感器四大模块。测得的温度信号经由传输线路输送到微处理器，转化为数字信号输送到计算器进行综合分析处理。

2.2 制作要求

在制作的过程中，有3个需要注意的问题。其中一个问题是要注意“℃”摄氏度符号是否接反，在焊接过程中要特别注意摄氏度符号的数码管要倒着放，防止反方向现象的发生。另一个问题是为了节省空间，稳压块最好要贴板安装，这样不仅空间省下来了，散热的效果也非常好。在常温状态下，稳压块的温度一般会保持正常。最后一个问题是电容、三极管以及发光二极管一定不能接反。如果接反了其功能就无法得以展示，同时焊接的过程中焊锡不能太多，避免短路现象的发生[6]。

2.3 安装调试

调试是一个很关键的步骤。在调试之前，一定要再次检查电路以保证焊接准确，每个引脚是否有短路的现象，同时调试时要保证电路板处于常温的状态下工作，确保所有的工作准确无误，才可以连接电源进行调试工作。

3 电路工作原理及介绍

3.1 温度传感器的工作原理

图1是热敏电阻温度传感器的工作电路图。由图1 可见Rt是温度敏感电阻元器件，当温度变化时将会改变Rt的阻值，原理上，通过三端稳压源LM317搭建的恒流源给Rt激励会输出随温度变化的电压信号，再通过精密仪用放大器INA114 将检测电压信号放大至标准电压值Uo。后端采集设备将Uo转化为数字化信号，数字化信号将以数据的形式记录在数据库中，并且将其转化为多种显示。

图1 温度传感器工作原理图

目前，从应用角度来说，主流温度传感器分为非接触式和接触式温度传感器，而根据材质划分可以划分为热电阻和热电偶两种，目前我国的技术进步发展较大，温度传感器的体型进一步缩小、功能进一步完善、性能进一步强大，方便使用和携带。这样不仅有利于各个领域的应用，同时也给人们的生活带来很多方便。而对于新冠肺炎疫情肆虐情况下，运用温度传感器可以一定程度上避免疫情传播风险，目前市场的前景较大。

3.2 接触式温度传感器

接触式温度传感器检测的一端要与被检测的对象有直接性接触，又被称作温度计，温度计遵循的是对流与传导构成热度平衡。具备较强精确性和时效性，可以快速测量被测物体温度，尤其是局部温度测量中，显示出温度分布情况。不过对于热容量较低的对象，则容易出现检测误差。综合使用的材料以及原理来讲，温度计可以划分为液体型、压力型、金属型，广泛应用在商业以及工农业领域。在人们的日常生活中也会使用体温计来测量自己的温度。

3.3 非接触式温度传感器

非接触式温度传感器与接触式温度传感器完全相反，它与被检测的对象没有直接性接触。它的好处就在于可以用来测量热容量很小以及正在运动的物体，甚至是温度变化特别快的对象也能快速地显示它的表面温度。由于非接触式温度传感器测温元件不接触被测物体，也就可以用于公共交通等公共基础设施的测温使用中。尤其是在新冠肺炎疫情广泛传播的背景下，不接触人体而测量体温，可以避免病毒潜在传播可能，由此，目前非接触式温度传感器其实运用极为广泛，遍布我国。其特点在于可以测量运动状态小目标或者热容量变化迅速或者较小的对象，可以测量温度场分布，不过会受到环境温度的较大影响，在实际使用时，需要稳定环境来确保测量精确性。非接触式温度传感器具备较高的检测效率，环境因素影响较小，可以实现小空间范围内的精确测量，这种方式适用性较强。由此，在公共设施、地铁站、商场等公共场所出入口都会使用非接触式温度传感器检测行人人体温度，来避免疫情传播风险。

3.4 热电偶传感器

热电偶主要指的是两个具有差异性的导体或者半导体，其组合起来之后会形成热电偶结构。在检测的过程中会形成可循环的回路，在物体两侧连接热电偶回路之后会产生不同的节点温度，热端的温度为T，冷端的温度为TO。若符合这一原理回路会产生，电流运作过程中会出现热电动势，它会随着温度的变化而产生电动势，因此被称为塞贝克效应。

热电偶温度传感器优势在于其结构较为简单，焊接不同材料的半导体或者导体，应用较为广泛，让两种导体形成闭合回路，回路中产生电动势，观测热电动势即可分析得到物体温度。由此,为了确保测量结果的精确，热电偶温度传感器制备需要严格要求热点及材料，需要具备稳定性较高的化学、物理性质，其电阻温度系数要小，导电率要高，需求较大热电动势且热电动势和温度之间存在明显线性变化关系，确保具备复现性。

3.5 热电阻传感器

热电偶传感器通过热电动势测量温度同时也就限制了测量温度的范围，对于-200 ℃～500 ℃的物体，热电阻摄氏度可以适用。其工作原理是通过半导体或者导体的电阻值和温度变化之间的线性关系来测量温度。一般常见的金属材料在温度每上升1 ℃就会增加0.4%～0.6%的电阻值。这种线性关系就可以完成对环境温度的测量。热电阻传感器以热敏电阻的电阻值的具体变化情况来检测周边温度的变化情况，根据测量的阻值便可以计算出被测物体的实际温度。热电阻传感器能够检测最低温度以及最高温度的范围通常在-200 ℃～500 ℃。传感器中所使用的零件主要为金属，在材料选择方面需要迎合以下几点原则：（1）电阻材料的电阻值与物体温度之间应保持和谐的线性关系且保持长期稳定；（2）电阻材料的电阻率越高，其金属配件的热容量越小，温度检测响应越快；（3）材料性价比高，同时价格还很合理；（4）根据要测量的温度范围选定材料，确保物理特性更加稳定。

4 温度传感器的测试方法

温度传感器的性能检测方法要综合传感器实际应用场景进行分析，例如检测发动机冷却液温度的传感器，那么在测试其性能过程中不能使用明火进行测试，不然传感器就会严重被损害。传感器检测时无论要拆哪个部件首先要确保断电，否则拆卸部件可能会导致传感器内部电流过大或电压上升，从而损害传感器。

通过铂电阻制备的温度传感器需要先对铂电阻热响应时间进行测试，首先将带有初始温度的铂电阻放入恒定温度的恒温槽，计算初始温度达到介质温度之差的63.2%所用时间，记录为时间常数。设置10 s 采样时间，每秒测试，记录时间常数。

比如：对NTC 负温度系数热敏电阻热敏性能测试时需要进行R-T 特性测试。由于一定的温度范围内，NTC热敏电阻的电阻值随温度升高将会呈现非线性下降的趋势，也就是在温度上升过程中，其电阻阻值将会呈现变化趋势渐缓的情况，由此无法准确测量温度。对于此类非线性温度和阻值的对应关系需要通过大量实验研究其参数，经由回归方法拟合曲线关系来得到温度和阻值的映射关系。

表1 传感器电阻值

以NTC 热敏电阻为例，其R-T 曲线的精确直接关系到性能，由此电阻测量是极为重要的环节。较为经典的方法如直流电桥法和恒电流法。直流电桥法是通过4个电阻，其中被测电阻组成电桥，确定电阻调节让电桥平衡，经由电气分压原理集散被测电阻。恒电流法是一种对照实验方法，将两个电阻串联在闭合电路中，使用电压表获得实时两端电压数据，调节比照实验电阻器，使得电压表数值相同，也就测定了被测电阻。

4.1 水温传感器的检测

温度传感器应用在水温检测的过程中需要拔下导线连接器，若水温不同，需要利用电阻表进行检测。检测期间需要确保电阻值符合如下表所示的数据。在传感器安装期间需要及时连接导线，保证点火开关处于ON的状态，THW与E2两端的电压值应为0.1～1.0 V并且水温处于80 ℃的情况下。如果测量时没有显示电压，就需要进一步系统地检查。

4.2 进气温度传感器的检测

进气温度传感器的检测方法和上文所论述的水温传感器方式相同，在检查时需要及时地切断传感器电源，然后保证点火开关处于ON 的状态，分析THW 与E2 两端子是否存在电压，电压值的范围是0.5～3.4 V，同时水温要处于20 ℃的情况下。如果测量时没有显示电压，同样也需要进一步检查，找出故障的原因。

4.3 冷却液温度传感器和进气温度传感器的检测

在进行检测时需要把传感器安装在发动机上，准备一个电压表接在传感器的接线端处，根据冷却液的不同温度，电压表会有所显示。偶尔也会出现内部电阻值的情况，这种情况只有在ECU与发动机冷却液温度传感器连接时，并且温度达到49 ℃才有可能出现。电阻值的变化会影响着两极间的压阵也发生变化。关于压阵变化这一问题，厂家在生产时就会有详细的说明。另外，在传感器使用期间，其计算机系统可能会出现部分波动情况，这些情况属于正常现象，只需控制在允许范围内。同时若进气温度传感器安装在发动机位置，需要在两个接线端中间连接电压表，从而显示温度数值，其数值标准往往如表2所示。总体来讲，在温度传感器设计以及性能检验的过程中，要严格按照既有的标准进行详细分析，同时结合不同的使用场景以及使用需求进行调整，这样才可以确保温度传感器能够真正满足实际的检测需要。

表2 温度传感器输出

5 结语

总之，随着我国科技的快速发展和城市化步伐的加快，温度传感器将应用到各行各业、各个领域中。温度传感器是最常用的传感器之一，在国民经济领域的各个方面具有自己存在的价值，同时因为它的外形很小，更方便应用于生产实践中，也为人们的生活提供了便利。尤其在新冠肺炎疫情肆虐的情况下，精确测量使用公共设施的行人的人体温度可以避免病毒传播的风险，为人民群众的生命健康安全带来保障。目前对于非接触式温度传感器的研究是重点研究方向，前景较大，如何提高精确性，精确测量，排除环境干扰因素等依旧是研究的难点。