溫度傳感器的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型

一、溫度傳感器的結(jié)構(gòu)

溫度傳感器，作為一種能夠感受溫度并將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào)的傳感器，是現(xiàn)代測(cè)量與控制技術(shù)中不可或缺的一部分。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航空航天、消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域，為溫度監(jiān)測(cè)與控制提供了精確、可靠的解決方案。溫度傳感器以其多樣化的類(lèi)型、高精度、快速響應(yīng)和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，成為溫度測(cè)量領(lǐng)域的核心元件。

溫度傳感器的結(jié)構(gòu)因其類(lèi)型不同而有所差異，但一般而言，它們都由感溫元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)處理電路等部分組成。

1. 感溫元件
   • 感溫元件是溫度傳感器的核心部分，它直接與被測(cè)對(duì)象接觸或感受其輻射熱量，從而感知溫度的變化。不同類(lèi)型的溫度傳感器采用不同的感溫元件，如熱電偶絲、熱電阻體、熱敏電阻片等。
2. 轉(zhuǎn)換元件
   • 轉(zhuǎn)換元件負(fù)責(zé)將感溫元件感知到的溫度變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。對(duì)于熱電偶溫度傳感器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換元件通常是測(cè)量熱電勢(shì)的電路；對(duì)于熱電阻和熱敏電阻溫度傳感器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換元件則是測(cè)量電阻值變化的電路；對(duì)于晶體管溫度傳感器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換元件則是利用晶體管電壓-電流特性進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的電路。
3. 信號(hào)處理電路
   • 信號(hào)處理電路用于對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、線性化等處理，以提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)，信號(hào)處理電路還可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于與計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字設(shè)備進(jìn)行通信和顯示。
4. **外殼與封裝
   • 溫度傳感器的外殼不僅起到保護(hù)內(nèi)部元件的作用，還影響傳感器的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。常見(jiàn)的外殼材料包括不銹鋼、陶瓷和塑料等。封裝方式則根據(jù)傳感器的類(lèi)型和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇，以確保傳感器的耐用性和準(zhǔn)確性。
5. 引線或連接器
   • 溫度傳感器通過(guò)引線或連接器與外部電路連接，傳輸測(cè)量到的溫度信號(hào)。引線的材質(zhì)和規(guī)格會(huì)影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，因此需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇。
6. 輔助元件
   • 某些溫度傳感器還包含輔助元件，如冷端補(bǔ)償電路、濾波電路和線性化電路等。這些元件用于提高傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，確保輸出信號(hào)能夠準(zhǔn)確反映被測(cè)溫度。

二、溫度傳感器的類(lèi)型

溫度傳感器種類(lèi)繁多，按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為多種類(lèi)型。以下是一些常見(jiàn)的分類(lèi)方式及其對(duì)應(yīng)的溫度傳感器類(lèi)型：

1. 按測(cè)量方式分類(lèi)
   • 接觸式溫度傳感器 ：如熱電偶、熱電阻等，其感溫元件需要與被測(cè)對(duì)象直接接觸以感知溫度。
   • 非接觸式溫度傳感器 ：如紅外溫度傳感器等，其感溫元件通過(guò)接收被測(cè)對(duì)象輻射的紅外線來(lái)感知溫度，無(wú)需與被測(cè)對(duì)象直接接觸。
2. 按材料分類(lèi)
   • 金屬溫度傳感器 ：如鉑電阻、銅電阻等，利用金屬材料的電阻值隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度。
   • 半導(dǎo)體溫度傳感器 ：如熱敏電阻、晶體管溫度傳感器等，利用半導(dǎo)體材料的電阻值或電壓-電流特性隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度。3. 按工作原理分類(lèi) ：
   • 熱電偶溫度傳感器 ：利用熱電效應(yīng)測(cè)量溫度，具有測(cè)量范圍廣、精度高等優(yōu)點(diǎn)。
   • 熱電阻溫度傳感器 ：利用電阻值隨溫度變化的特性測(cè)量溫度，適用于需要高精度測(cè)量的場(chǎng)合。
   • 熱敏電阻溫度傳感器 ：利用半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化的特性測(cè)量溫度，具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。
   • 晶體管溫度傳感器 ：利用晶體管的電壓-電流特性測(cè)量溫度，通常具有較高的精度和穩(wěn)定性。
   • 紅外線溫度傳感器 ：通過(guò)測(cè)量物體輻射的紅外線能量來(lái)計(jì)算溫度，適用于非接觸式測(cè)量。
3. 按應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi) ：
   • 工業(yè)用溫度傳感器 ：如熱電偶、熱電阻等，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度監(jiān)測(cè)與控制。
   • 醫(yī)療用溫度傳感器 ：如體溫計(jì)、醫(yī)療設(shè)備等中的溫度傳感器，用于測(cè)量人體溫度或醫(yī)療設(shè)備的工作溫度。
   • 消費(fèi)電子用溫度傳感器 ：如智能手機(jī)、智能家居設(shè)備等中的溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度或設(shè)備的工作狀態(tài)。

三、溫度傳感器的應(yīng)用與發(fā)展

溫度傳感器在現(xiàn)代科技中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛且不斷擴(kuò)展。以下是一些典型的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展趨勢(shì)：

1. 工業(yè)領(lǐng)域 ：
   • 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)和控制各種設(shè)備的溫度，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在化工、冶金、電力等行業(yè)中，溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于鍋爐、反應(yīng)釜、烘箱等設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)與控制。
2. 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域 ：
   • 溫度傳感器在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。通過(guò)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，優(yōu)化作物生長(zhǎng)條件，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。例如，在溫室大棚中安裝溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，并根據(jù)需要調(diào)整溫室環(huán)境，以滿(mǎn)足作物的生長(zhǎng)需求。
3. 醫(yī)療領(lǐng)域 ：
   • 在醫(yī)療領(lǐng)域，溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于體溫計(jì)、醫(yī)療設(shè)備等中。通過(guò)測(cè)量人體溫度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)體溫異常，為疾病的診斷和治療提供依據(jù)。此外，在醫(yī)療設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)與控制中，溫度傳感器也發(fā)揮著重要作用，確保醫(yī)療設(shè)備在適宜的溫度下運(yùn)行，保障患者的安全。
4. 消費(fèi)電子領(lǐng)域 ：
   • 隨著智能手機(jī)和智能家居設(shè)備的普及，溫度傳感器在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。例如，智能手機(jī)中的溫度傳感器可以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，并根據(jù)需要調(diào)整手機(jī)的性能表現(xiàn)；智能家居設(shè)備中的溫度傳感器則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，并根據(jù)用戶(hù)的設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)、暖氣等設(shè)備的工作狀態(tài)。
5. 發(fā)展趨勢(shì) ：
   • 隨著科技的不斷發(fā)展，溫度傳感器將朝著更高精度、更快響應(yīng)速度、更小體積和更低功耗的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展，溫度傳感器將更多地融入各種智能設(shè)備和系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)更加智能化和便捷化的溫度監(jiān)測(cè)與控制。例如，在智能制造、智慧城市等領(lǐng)域中，溫度傳感器將發(fā)揮更加重要的作用，為各種智能化設(shè)備和系統(tǒng)提供精確的溫度數(shù)據(jù)支持。

四、帶 Arduino 的溫度傳感器 LM35

為了找到溫度，我們有多種選擇，但首選是 LM 35 溫度傳感 IC。將溫度傳感器 LM35與 Arduino連接的過(guò)程非常簡(jiǎn)單，不需要外部接口組件。 LM35 能夠以 ±5% 的精度感應(yīng) -55 °C 至 150 °C 之間的溫度。它可以輕松地與Arduino板連接。

Texas Instruments 的 LM35 是一款精密集成電路溫度傳感器，以其準(zhǔn)確性和易用性而聞名。這些器件生成與攝氏度溫度成線性比例的輸出電壓，從而無(wú)需通常與以開(kāi)爾文校準(zhǔn)的傳感器相關(guān)的復(fù)雜轉(zhuǎn)換和恒定電壓減法。 LM35 的主要優(yōu)勢(shì)之一在于其用戶(hù)友好的設(shè)計(jì)。與以開(kāi)爾文校準(zhǔn)的傳感器不同，LM35 不需要從輸出中減去恒定電壓以方便進(jìn)行攝氏度縮放。這種簡(jiǎn)單性簡(jiǎn)化了集成過(guò)程，使其非常用戶(hù)友好。

該 LM35 傳感器無(wú)需任何外部元件或信號(hào)調(diào)理電路即可工作。該傳感器在室溫下提供 ± 1/4°C 的典型精度，在 -55°C 至 150°C 的寬溫度范圍內(nèi)提供 ± 3/4°C 的典型精度。 LM35 和溫度傳感器系列有不同類(lèi)型的封裝。

帶 Arduino 連接的溫度傳感器 LM35

帶Arduino電路的溫度傳感器LM35

帶 Arduino 的溫度傳感器 LM35

溫度傳感器 LM35 Arduino 接口

這里我們給出了arduino的基本接口電路和草圖代碼來(lái)顯示arduino串口中的傳感器讀數(shù)。在arduino板上，LM 35的輸出端子連接到A0，即模擬輸入引腳。 arduino 板上的 +Vcc 和 Gnd 可以作為偏置電源提供給溫度傳感器。

我們知道 LM35 傳感器提供與感測(cè)到的溫度成比例的模擬電壓。為了將該模擬電壓作為 Arduino 板的輸入，我們使用模擬輸入引腳 A0，通過(guò)使用 AnalogRead() 讀取該模擬電壓，您將獲得 0 到 1023 之間的值。0 到 1023 之間的模擬值被轉(zhuǎn)換為溫度使用 LM35 數(shù)據(jù)表中提供的公式以攝氏度為單位。然后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為華氏度。

float mv = ( val/1023.0)*5000;
float cel = mv/10;
float farh = (cel*9)/5 + 32;

最終輸出溫度值被發(fā)送到串行監(jiān)視器，以便通過(guò)串行打印命令查看。您可以通過(guò)在 Arduino IDE 中打開(kāi) Serial Monitor 查看結(jié)果。編譯并上傳以下代碼，您必須在串行監(jiān)視器中看到溫度變化。您可以根據(jù)溫度范圍條件將輸出擴(kuò)展到LED或 LCD 或自動(dòng)化任何輸出執(zhí)行器

帶 Arduino 代碼的溫度傳感器 LM35

/*
 * Temperature Sensor LM35 with Arduino
 * Source: www.theorycircuit.com
 */
int val;
int tempPin = 1;
void setup()
{

Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
val = analogRead(tempPin);

float mv = ( val/1023.0)*5000;
float cel = mv/10;
float farh = (cel*9)/5 + 32;
Serial.print("TEMPRATURE = ");
Serial.print(cel);
Serial.print("*C");
Serial.println();
delay(1000);
/* uncomment this to get temperature in farenhite
Serial.print("TEMPRATURE = ");
Serial.print(farh);
Serial.print("*F");
Serial.println();
*/
}