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圆片温度传感器工作原理

1.基于热电偶的圆形温度传感器

1.1塞贝克效应

物理基础：塞贝克效应是热电偶工作的基础。当两种不同的金属，比如金属A和金属B，在两个结处连接在一起时，如果这些结之间存在温差（），则会产生电动势（emf）。这是因为两种金属的自由电子密度和能级不同。当电子在热结处从电子能级较高的金属扩散到电子能级较低的金属时，会发生净电荷分离。

圆形配置：在圆形热电偶传感器中，圆形布局允许测量结更均匀地暴露在温度场中。例如，在一些需要测量圆形管道或旋转轴温度的工业应用中，可以将圆形热电偶包裹在物体周围。参考结通常通过内置的温度控制装置或使用已知的环境温度并进行电子补偿来保持恒温。

1.2数学表示法

热电偶中产生的电动势（）与测量结（）和参考结（）之间的温差大致成正比，可以表示为塞贝克系数，塞贝克系数是双金属组合的特征属性。不同的金属对具有不同的塞贝克系数；例如，常用的K型热电偶（铬-铝）在中温范围内的塞贝克系数约为40-41μV/°C。

1.3应用和限制

应用：热电偶广泛应用于工业炉，其中温度可达非常高的值（某些类型可达1300°C或更高）。它们还用于汽车发动机，以监测废气温度，并用于发电厂的锅炉温度测量。

限制：相对较小的输出信号（在微伏范围内）需要放大，这可能会引入噪声。此外，参考结温度的任何变化都会直接影响温度测量的准确性。为了解决这个问题，现代热电偶通常使用自动参考结补偿技术。

2.基于电阻式温度检测器（RTD）的圆形温度传感器

2.1温度相关电阻

材料特性：RTD通常使用铂（Pt）、铜（Cu）或镍（Ni）等金属。铂因其高稳定性、宽温度范围和出色的线性而最为常见。这些金属的电阻随温度而变化，因为金属原子的热振动会影响自由电子的运动。随着温度的升高，原子振动更加剧烈，散射电子并增加电阻。

圆形线圈设计：在圆形RTD传感器中，金属线缠绕成圆形线圈。这种圆形形状可以提供更大的表面积与体积比，这可以提高传感器和被测温度物体之间的传热效率。例如，在圆柱形储罐中的液位温度传感应用中，圆形RTD可以放置在储罐底部，以准确测量液体温度。

2.2数学关系

RTD在某一温度下的电阻（）与其在参考温度下的阻抗（）之间的关系由下式给出。在大多数实际应用中，对于较小的温度范围，可以忽略高阶项（及以上），关系简化为，其中是电阻的温度系数。对于铂，在0°C下。

2.3应用和限制

应用：RTD用于实验室的精密温度控制系统、精确温度监测至关重要的制药生产过程，以及用于维持舒适室内温度的HVAC（供暖、通风和空调）系统。

局限性：与热电偶相比，它们的响应时间相对较慢，因为电阻的变化是金属丝整体加热或冷却的结果。此外，电阻丝会受到机械应力的影响，这会改变其电阻值，并在温度测量中引入误差。

3.基于热敏电阻的圆形温度传感器

3.1半导体-材料行为

NTC和PTC热敏电阻：热敏电阻由半导体材料制成，如金属氧化物（用于NTC热敏电阻）或掺杂聚合物（用于某些PTC热敏电阻）。在NTC热敏电阻中，随着温度的升高，半导体材料中的电荷载流子（电子或空穴）数量也会增加。这导致电阻降低，因为有更多的电荷载流子可用于导电。在PTC热敏电阻中，电阻随温度而增加，通常是由于相变或材料在一定温度下的晶体结构变化（某些PTC材料的居里温度）。

圆形传感器设计：圆形热敏电阻的设计可以使其与热源或被测介质的接触最大化。例如，在圆形散热器温度监测应用中，圆形NTC热敏电阻可以直接与散热器表面接触，以快速检测任何温度变化。

3.2数学建模

热敏电阻的电阻（）和温度（）之间的关系是非线性的，通常用斯坦哈特-哈特方程来描述：，其中，和是热敏电阻材料和结构特有的常数。与RTD和一些热电偶的相对线性关系相比，这种非线性需要更复杂的校准和信号处理技术。

3.3应用和限制

应用：热敏电阻用于电池管理系统，以监测电池单元的温度，用于智能手机等电子设备，以防止过热，以及家用电器温度控制电路。

局限性：它们的非线性响应使得有必要使用查找表或复杂的算法来进行精确的温度测量。此外，与热电偶和RTD相比，它们的温度测量范围通常更有限。例如，常见的NTC热敏电阻的有效温度范围为-50°C至150°C。

4.基于红外辐射的圆形温度传感器

4.1普朗克定律与红外辐射

辐射发射：温度高于绝对零度（）的所有物体都会发射红外辐射。根据普朗克定律，黑体（一个完美吸收和发射所有辐射的理想化物体）的光谱辐射率（）由下式给出，其中是辐射的波长，是物体的温度，是普朗克常数，是光速，是玻尔兹曼常数。现实世界中的物体不是完美的黑体，它们发射的辐射的发射率（）因子会改变辐射强度。

圆形传感器操作：圆形红外温度传感器有一个圆形红外探测器，通常由热电晶体或测辐射热计等材料制成。探测器设计用于收集物体发出的红外辐射。在某些情况下，圆形可以提供