温度传感器的原理
第1篇：ToF距离传感器的原理
第2篇：加速度传感器的原理
本系列连载旨在从基础开始扎扎实实地学习正确的知识，以便能够长期享受电子制作。为我们分享的嘉宾是日本金泽大学电子信息通信学教授秋田纯一先生，他的讲解非常通俗易懂。在第1篇中，为我们介绍了ToF距离传感器的原理；在第2篇中，为我们介绍了加速度传感器的原理；在本文也就是第3篇中，将介绍温度传感器。
目录
1. 各种温度传感器
在您使用微控制器创建作品时，经常会需要测量温度吧？比如测量气温，最近还会涉及到非接触式测量体温。在这种情况下，就需要使用所谓的温度传感器了。不过可能会因其种类繁多而难以选择。比如您在Switch Science网站上搜索“温度传感器”时，就会出来近200种产品。
Switch Science产品页面截图
在电子制作中常用的温度传感器大致可分为以下四种：
- 热敏电阻
- 半导体式
- 热电偶
- 红外线辐射型
每种温度传感器都有其特点，需要我们根据应用目的适当地区分使用。首先让我们来逐一看看它们各自的特点。
热敏电阻
热敏电阻示例（村田制作所：NXFT15XH103FA1B025）
金属氧化物中包括电阻随温度变化的材料，使用这种材料的温度传感器被称为“热敏电阻”。根据材料的不同，热敏电阻分为两种类型，一种是阻值随温度的上升而增加的PTC（ Positive Temperature Coefficient=正温度系数），另一种是阻值随温度的上升反而减小的NTC（ Negative Temperature Coefficient=负温度系数）热敏电阻。NTC热敏电阻具有体积小且便宜的特点，而且如果能很好地利用其特性，通过简单的电路即可轻松获取温度值，因此更常用（希望进一步了解NTC热敏电阻特性和测量方法原理的人，请参阅这里的参考信息）。
- 优点：体积小，价格便宜
- 缺点：从测量值到温度的转换公式是非线性的
半导体式
从原理上看，二极管、晶体管等半导体器件的特性会随着温度的变化而有很大变化。这是因为在半导体中有电子和空穴两种类型的电流实体（载流子），决定它们密度的玻尔兹曼分布公式中包括温度。例如，在查看二极管的技术规格书时，您会发现电压-电流特性会随温度的变化而发生很大变化。
二极管温度特性示例（摘自ROHM RB550VAM-30的技术规格书）
利用其特性测量温度的是半导体式温度传感器。由于半导体元器件的特性，其可以测量的温度范围比其他方式要窄。但因其可以与其他电路集成在同一个半导体芯片中，所以多与A/D转换器和I2C等配合使用，并且很容易通过微控制器进行控制。
- 优点：易于通过微控制器进行控制
- 缺点：价格稍贵，能测量的温度范围窄
热电偶
在两种金属接合处存在会产生微小电压的现象，这种电压具有与温度成比例变化的特性（塞贝克效应）。温度变化率取决于金属种类，另外，具有在很宽的范围内温度变化率保持恒定的特性。
热电偶示例（摘自https://www.switch-science.com/catalog/2976/。红圈圈出的部分是热电偶本体的金属接头部分）
利用这种特性的温度传感器称为“热电偶”。例如，常用的“K型热电偶”是由镍铬合金和镍铝合金制造而成的，可以测量的温度范围非常宽，覆盖-200℃～+1200℃。测量时，将这两种金属线接合的尖端部分连接需要测量温度的位置。但是，由于电压变化非常小，因此通常将其与对信号进行放大的专用放大器（每种热电偶金属材料都有与其温度系数相匹配的专用放大器）结合使用。
- 优点：可以测量的温度范围非常宽
- 缺点：需要与专用放大器配合使用
红外线辐射型
物体辐射的电磁波与物体温度之间的关系
众所周知，物体有根据温度发射不同波长的电磁波的特性，在接近室温的环境下，物体会放射出大量的红外线。 这意味着我们只要测量出红外线的不同波长，就得到某个物体的温度。这种类型的温度传感器（红外线辐射型）的一大特点是可以在离开被测对象物一定距离的位置测量温度，这一点与其他温度传感器不同。
- 优点：非接触式测量温度
- 缺点：昂贵，精度较低
2. 温度传感器的使用方法
热敏电阻
例如，这款Grove温度传感器由缓冲器用的运算放大器和NTC热敏电阻组成。
https://www.switch-science.com/catalog/806/
了解其使用方法和程序示例请点击以下链接：
https://wiki.seeedstudio.com/Grove-Temperature_Sensor_V1.2/
下面这部分程序是将模拟电压的测量值转换为温度时的换算公式：
float temperature = 1.0/(log(R/R0)/B+1/298.15)-273.15;
analogRead()值与温度之间的关系图
乍一看很复杂，其实并不难，程序中定义了B=4275、R0=100000，将其形成曲线图来看，如上图所示，在10℃到35℃左右的范围内，看起来几乎是一条直线，所以即使用更简单的线性函数公式换算成温度，似乎误差也不会太大。
半导体式
半导体式传感器不仅有单独的温度传感器，最近还出现了各种各样的变体，其中包括湿度和气压传感器相结合的产品。例如，下面链接中的这款产品的精度很高，似乎很适合精密测量。其用法与其他I2C连接的传感器基本相同，如果您使用的是Arduino，那么在安装库之后打开示例草图即可。
https://www.switch-science.com/catalog/3986/
热电偶
热电偶专用放大器有多种产品。例如，下面链接中的产品可以通过I2C连接使用，用法类似普通的温度传感器。请不要忘记配套使用的热电偶（本产品为K型热电偶）。另外，如果被测对象物的温度非常高，当热电偶的尖端与被测物接触时，连接线或胶带会熔化，所以请选用耐高温胶带（Kapton胶带）。
https://www.switch-science.com/catalog/5345/
https://www.switch-science.com/catalog/2976/
红外线辐射型
自2020年初以来，由于新冠疫情的蔓延，对体温测量的需求大幅增加，红外温度传感器一直供不应求。似乎很多产品都是通过I2C连接使用的，使用方法与普通温度传感器差不多。
https://www.switch-science.com/catalog/5220/
另外，还有一种使红外辐射型温度传感器像相机的像素一样排列成阵列的产品，可以当做简易红外热像仪使用。
https://www.switch-science.com/catalog/1297/
https://www.switch-science.com/catalog/4056/
3. 总结
本系列连载将为大家介绍传感器的工作原理。在第3篇中，介绍了温度传感器，怎么样？了解这种传感器了吗？传感器系列的介绍到此结束，从下一篇开始我们将进入新系列，也请期待！
本系列连载的内容
第1篇：ToF距离传感器的原理
第2篇：加速度传感器的原理
第3篇：温度传感器的原理（本文）
第4篇：认识光电鼠标芯片
第5篇：认识芯片〜兼容芯片的世界〜
第6篇：了解源代码〜GPIO篇〜
第7篇：了解源代码〜analogWrite篇〜
第8篇：了解源代码〜出了点问题篇〜
秋田纯一
日本金泽大学电子信息通信学教授。从小在焊料的烟雾中长大，长大后走上了集成电路研究的道路。爱好电子制作，为了使集成电路成为创客们的工具，正在研究制作LED闪烁用LSI视频等。另外，作为创客，还热衷于“徒劳的抵抗”（無駄な抵抗）系列杯垫等的创作。喜欢的焊料是Pb:Sn=37:63，喜欢的工艺是CMOS0.35um。
