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温度传感器将物体或其周围环境的温度转换为电信号。但“温度传感器”并非单一技术，它至少涵盖四种并存的物理原理：热电偶，利用两种不同金属连接处产生的电动势；热电阻和电阻温度计，利用金属或半导体电阻随温度变化的特性；半导体集成电路传感器，利用硅的带隙特性；以及非接触式辐射温度计，直接检测物体发射的红外辐射。从电机绕组和电池单元到中央处理器 (CPU)、废气、食品和人体，几乎所有机械系统（从自主移动机器人到数据中心）都必须首先监测温度这一物理量——而且它在许多其他传感器技术的幕后默默发挥作用，例如电池中的热失控检测和执行器中的绕组过热保护。
K 型热电偶（焊接接头，护套导线）
线绕 PT100 元件（直径 3mm）图片：K 型热电偶 (3)（Harke，公共领域）/ Wire 绕制 Pt100 电阻器（Harke，CC BY-SA 3.0），Wikimedia公共领域。
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原理：四种不同的物理效应如何“将温度转化为电能”
热电偶——塞贝克效应和异种金属间的电动势
热电偶将两根不同金属导线的一端连接在一起；当连接点（测量端）和另一端（参考端）之间存在温差时，会产生与该温差成正比的电动势（热电动势）。这就是塞贝克效应，电动势V可使用温差\Delta T = T_1 - T_0和塞贝克系数S近似计算如下。
应用最广泛的K型热电偶（铬镍-铝镍合金组合）的塞贝克系数约为41\,\mu V/°C，并且在0-1000°C的宽广温度范围内几乎保持恒定。然而，热电偶只能测量“温度”。 “两点之间的差异”，因此，要确定测量端的绝对温度，需要单独知道参考端的温度。传统方法是“冰点补偿”——将参考端浸入冰水（0°C）中——但现代仪器通常会在参考端附近放置一个单独的传感器（热敏电阻或半导体温度传感器），测量其温度，并通过数学方法进行校正，这种内置技术称为冷端补偿 (CJC)。热电偶的标准化标准为 IEC 60584（国际标准）和 ASTM E230（北美标准）；K 型热电偶的标准精度等级为 IEC 60584 2 级，读数约为 \pm 2.2°C 或 \pm 0.75\%（取较大值），而精度更高的 1 级则可达约 \pm 1.5°C。
基本热电偶电路：热电动势的产生取决于测量端 T1（两根不同的金属导线 A 和 B 在此处连接）与电压表侧的参考端 T0 之间的温差（概念图由 Duskcoil 创建）。
热电阻 (RTD) — 金属电阻如何随温度变化温度
电阻温度检测器 (RTD) 利用金属电阻随温度升高而近乎线性增加的特性。最常见的型号是“Pt100”，由高纯铂制成，在 0°C 时电阻为 100Ω，在 100°C 时约为 138.5Ω。电阻与温度的关系由国际标准 IEC 60751 定义为“Callendar-Van Dusen 方程”，该方程在 0°C 以上呈现以下二次方程形式：
其中，R_0 表示 0°C 时的电阻（Pt100 的电阻为 100Ω），系数由标准严格规定为 A = 3.9083 \times 10^{-3}\,°C^{-1} 和 B = -5.775 \times 10^{-7}\,°C^{-2}（在 0°C 以下，会添加一个三次项 C）。 RTD 的精度以 IEC 60751 标准的容差等级表示：A 级为 \pm(0.15 + 0.002|T|)°C，B 级为 \pm(0.3 + 0.005|T|)°C，因此 A 级在接近 0°C 时精度可达 \pm 0.15°C，而在 100°C 时，即使是 A 级的容差范围也会扩大到 \pm 0.35°C——容差值会随着温度升高而增大。这与热电偶的模式相反，意味着 RTD 在接近 0°C 时精度要高得多。由于 RTD 测量的是电阻，为了避免引线电阻的影响，需要将电流激励与电压检测分开，并使用四根导线——“四线制”是高精度应用的基本配置。
热敏电阻——半导体电阻的指数变化
热敏电阻在原理上与 RTD 属于同一电阻-温度系列，但由于其采用金属氧化物半导体而非金属，因此电阻变化率远高于 RTD。主流热敏电阻具有负温度系数 (NTC)，其电阻-温度特性可用以下 β 方程近似描述。
其中 T 和 T_0 为绝对温度 (K)，\beta 为材料相关的常数，常见产品的该值通常在 3000–4000 K 左右。由于热敏电阻的响应呈指数形式，RTD 在 100°C 的温度变化范围内电阻变化不到 40%，而热敏电阻在相同温度变化范围内电阻变化幅度则大几个数量级，因此非常适合在窄温度范围内进行高灵敏度检测。这种非线性灵敏度的缺点在于，它难以用单个方程覆盖较宽的温度范围——实际上，工程师们通常会使用多个温度点的查找表，或者使用更高阶的近似公式，例如 Steinhart-Hart 方程。还有一种较为罕见的变体，具有正温度系数 (PTC)；与平滑响应不同，PTC 的电阻在超过阈值温度后会急剧上升，这一特性被用于功率电路中的浪涌电流限制和自复位保险丝——上图所示的 NTC 本身就是电源板上浪涌电流限制器件的一个例子。
半导体集成电路传感器——带隙和 PN 结的温度依赖性
在恒定电流下，硅 PN 结（例如二极管或晶体管的基极-发射极结）的正向电压会随着温度的升高而几乎线性下降（硅的近似值为 -2mV/°C）。单凭这种依赖性无法可靠地重现绝对温度，但通过将两个具有不同温度依赖性的电流分量组合起来，构建一个与温度无关的参考电压（带隙基准），并从残余电压中提取温度分量，工程师们便得到了“PTAT”（与绝对温度成正比）电路——这是现代半导体温度传感器集成电路的核心技术。德州仪器（原美国国家半导体公司）在20世纪80年代推出的LM35是一款开创性产品，它将这一原理转化为模拟电压输出（10mV/°C），在接近室温时可提供\pm 1/4°C的精度，并在-55至150°C的整个温度范围内提供\pm 3/4°C的精度，无需外部校准，所有这些都以简单的输出格式呈现。后来，利用片上模数转换器 (ADC) 将温度信号数字化并通过 I2C 或 1-Wire 等数字总线直接读取的产品逐渐成为主流，并发展成为像 Maxim（现为 Analog Devices）的 DS18B20 这样的 1-Wire 集成电路，以及像 TMP117 这样的\pm 0.1°C级高精度 I2C 传感器。
非接触式（红外辐射温度计）——斯蒂芬-玻尔兹曼定律与热电偶的意外回归
红外辐射温度计利用物体辐射红外能量与其绝对温度成正比的物理定律（斯蒂芬-玻尔兹曼定律）来测量温度，而无需接触。单位面积辐射能量P可由发射率\varepsilon（一个介于0到1之间的系数，用于描述表面接近理想黑体的程度）和斯特藩-玻尔兹曼常数\sigma表示如下。
由于该值与温度的四次方成正比，即使温度发生微小变化，也会导致辐射能量发生显著变化，传感器可以捕获这种变化，从而实现非接触式温度测量。有趣的是，许多将红外能量转换为电信号的探测元件被称为“热电堆”——由无数串联的微型热电偶构成的结构。当目标物体发出的红外线被探测器的接收面吸收时，该表面会略微升温，热电偶阵列会读取这种累积的温度升高，并将其与背面的参考表面温度进行比较——这就是19世纪发现的塞贝克效应，它至今仍在发挥着重要作用，是现代温度传感技术之一——非接触式远程检测——的基础。Melexis公司的MLX90614就是一个典型的例子，它是一款将热电堆技术集成到单个芯片上的数字输出集成电路。另一方面，二维热成像相机（例如FLIR Lepton）大多采用一种称为“微测辐射热计”的不同方法，而不是热电堆。该设备利用与热电阻 (RTD) 和热敏电阻相同的“电阻随温度变化”原理，逐像素读取吸收的红外光温度升高值——这意味着本文介绍的基于电阻和基于热电偶的原理，以不同的形式，在非接触式红外传感中都得到了很好的应用，这在温度传感技术的发展历程中是一个有趣的巧合。
主要产品规格对比
| 产品 | 制造商 | 检测方法 | 温度范围 | 精度 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| KTSS 系列（K 型热电偶探头） | Omega Engineering（美国） | 热电偶 | -200 至 900°C（不锈钢护套）（Inconel 600 护套最高可达约 1150°C） | 标准级：±2.2°C 或 ±0.75%，以较大者为准 | 支持通用微型连接器；工业炉和排气系统高温测量的首选探头 |
| M222（Pt100 薄膜元件） | Heraeus Nexensos（德国） | 热电阻 | -70 至 +500°C | 可选 A 级 (±0.15°C @0°C) 至 C 级 (±0.6°C @0°C) | 2.3×2.1×0.9mm 薄膜元件，符合 DIN EN IEC 60751 标准，广泛应用于汽车、工业测量和医疗设备 |
| NTCLE100E3 | Vishay（美国） | NTC 热敏电阻 | -40 至 +125°C | 电阻容差 ±5%，β 容差 ±0.75% | 25°C 时阻值为 10kΩ，β=3977K，径向引线封装，通常用于电源浪涌电流限制和传感 |
| DS18B20 | Analog Devices（原 Maxim） | 半导体集成电路（1-Wire 数字输出） | -55 至 +125°C | -10 至 85°C 范围内精度为 ±0.5°C | 多个单元可通过 1-Wire 总线菊花链连接到单根信号线上；可选择 9-12 位分辨率（0.5-0.0625°C 步长） |
| TMP117 | Texas Instruments（美国） | 半导体集成电路（I2C 数字输出） | -55 至 +150°C | -20 至 50°C 范围内精度为 ±0.1°C，即使在 -55 至 125°C 范围内精度也为 ±0.25°C | 0.0078°C 时分辨率为 16 位，电源电流低至 3.5µA，单芯片即可实现 PT100 级精度 |
| MLX90614 | Melexis（比利时） | 非接触式红外（热电堆） | 物体温度范围：-70 至 +382.2°C，环境温度范围：-40 至 +125°C | 标准精度：±0.5°C（医疗级精度可选，但范围有限，为 ±0.1°C） | SMBus 数字输出，分辨率 0.02°C，将 17 位 ADC 和信号处理 ASIC 集成于单个 TO-39 封装中 |
欧米茄的 KTSS 系列是适用于高温、严苛环境（例如工业炉和废气）的标准热电偶探头系列，支持可直接插入手持式仪器的微型连接器标准。贺利氏的 M222 是一款典型的薄膜 Pt100 元件，广泛应用于从汽车发动机控制和防抱死制动系统到家用电器温度管理等各种量产设备中，其显著特点是直接提供 A 级至 C 级标准公差作为产品线选项。像 Vishay 的 NTCLE100E3 这样的 NTC 热敏电阻价格在几美分到几美元之间，其产量比价格更高的替代品高出几个数量级，从而降低了成本。这些热敏电阻的应用范围很广，从电源浪涌电流限制到锂离子电池组的电池温度监测，都能看到它们的身影。
DS18B20 的最大特点是其 1-Wire 总线——一种允许多个传感器通过单根信号线串联的通信方式——长期以来，它在 Arduino 和 Raspberry Pi 等业余电子爱好者圈子中一直占据着事实上的标准地位。TMP117 是另一款半导体集成电路，其精度比 DS18B20 更高；正如德州仪器 (TI) 所说，它“可以替代非医疗应用中的 PT100”，将 RTD 级别的精度集成到单个芯片中。 MLX90614 是一款典型的非接触式传感器，适用于无需接触目标即可进行测量的应用，例如旋转物体的表面温度，或必须避免污染的食品和医疗领域。
历史：从被误认为是电的发现，到笔记本电脑的散热
塞贝克误将自己的发现解读为“磁性”
塞贝克效应是热电偶的基本原理，由德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克于 1821 年发现。塞贝克当时正在进行一项实验，他将两种不同的金属（铜和铋）连接成一个回路，并在连接处施加温差，他注意到附近的指南针发生了偏转。由此，塞贝克得出结论：“温差使金属磁化，而磁性使指南针偏转”，他试图将这种现象与地球磁场和火山活动联系起来进行解释。实际上，温差驱动电路中产生电流，而正是该电流产生的磁场使指南针偏转——换句话说，塞贝克发现了电，但他发表研究成果时仍误认为这是一种磁现象。汉斯·克里斯蒂安·奥斯特后来正确地将这种现象重新解释为电现象，如今，它与珀尔帖效应结合起来，被称为“珀尔帖-塞贝克效应”。发现者本人误判了自己发现的真正本质，这在科学史上是一个罕见的插曲，至今仍被反复提及。
卡伦德拯救了铂电阻温度计，使其免于“报废”
RTD（电阻温度计）的起源可以追溯到1871年，当时出生于德国的工程师威廉·西门子在贝克讲座中提出了一种基于电阻温度依赖性的温度测量方法。然而，当时英国科学促进协会的一个委员会，包括开尔文勋爵和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在内，对该装置进行了审查，并发布了一份批评报告，指出其存在缺陷：绝缘材料会对铂施加应力，导致其电阻值不稳定。英国物理学家休·朗伯恩·卡伦德突破了这一难题；大约在1885年，他改进了绝缘材料，并通过在超出预期测量范围上限的温度下进行退火处理，确保了其稳定性。卡伦德提出的电阻-温度近似公式在600°C的范围内精度达到1%以内，这成为了如今卡伦德-范杜森方程的原型。从西门子最初的提案，到卡伦德的改进，再到电阻温度检测器（RTD）最终成为真正的测量仪器，这大约花了30年时间——这表明，发现一个合理的原理和将其真正应用于实践所需的工程毅力是两码事。
法拉第150年前发现的热敏电阻原理
热敏电阻的基本原理——半导体电阻随温度升高而降低——最早由电磁感应的发现者迈克尔·法拉第记录下来。1833年，法拉第观察到硫化银的电阻随温度升高而急剧下降，这被认为是第一个证明半导体特性的科学记录。然而，这一现象直到近100年后才转化为实际产品；直到1930年，美国发明家塞缪尔·鲁本才建立了实用的生产工艺，热敏电阻才开始商业化生产。鲁本后来还参与了汞电池和碱性电池的研发，是一位知名的电池研究专家。从发现热敏电阻的基本原理到实际应用，耗时近一个世纪，这与同样发现于19世纪的塞贝克效应形成了鲜明对比，后者很快就被应用于热电偶的实际应用中。
被誉为“带隙之王”的人物
罗伯特·皮斯（Robert Pease，现隶属于德州仪器公司）是美国国家半导体公司（National Semiconductor）的一名工程师，他精通半导体温度传感器集成电路核心的带隙基准电路设计，其成就至今仍为业界所津津乐道。皮斯于1976年加入该公司，在其33年的职业生涯中，他拥有21项专利，并设计了20多个集成电路，凭借其卓越的模拟电路设计技能，赢得了同事们“带隙之王”的美誉。他还因深度参与温度传感器集成电路（包括LM35）的开发和评估而闻名。据说，他曾专门为此建造了一个超高精度、超稳定的温控槽来校准LM35。仅凭硅芯片就能实现毫开尔文级的温度分辨率，同时还能吸收半导体工艺偏差和制造误差，这项技术是像皮斯这样的少数模拟电路设计师所积累的精湛技艺的延伸。
真实案例：F1赛车使用12个非接触式传感器“不接触”测量轮胎温度
福禄克561红外测温仪（带K型热电偶探头）图片：Industrial 红外测温仪，带附加温度探头 (KalWadin, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.一款手持式设备将非接触式红外检测和接触式热电偶探头集成于一体。
一个真实案例充分展现了温度传感器在多单元和非接触条件下的卓越性能——一级方程式 (F1) 赛车的轮胎温度监测。F1 轮胎的抓地力特性会随着橡胶温度的显著变化而发生巨大变化，因此在赛车行驶过程中实时、非接触式地测量轮胎表面温度，对于赛车调校和比赛策略都至关重要。这里使用的产品是由法国 Texense 公司开发的“IRN8C-F1”红外阵列传感器，据称 2020 年代 F1 赛场上超过 90% 的车队都在使用这款传感器。该设备将八个通道的红外探测元件集成在一个外壳中，能够一次性读取轮胎宽度上八个点的温度分布，并且经过优化，测量距离可达 950 毫米。在实际赛车上，典型的配置是在四个车轮上各安装一个传感器；当每个轮胎使用多个传感器（例如，三个分别用于测量内外侧和中心点温度）时，一辆车最多可以搭载大约 12 个红外传感器实时监测轮胎表面。将接触式热电偶或热电阻直接连接到高速旋转的轮胎表面几乎是不可能的——基于斯蒂芬-玻尔兹曼定律的非接触式检测原理正是实现这一应用的前提。
“隐形温度漂移”悄然侵蚀力传感器精度
温度传感器不仅可以单独使用，它们还会悄然影响其他传感器的精度，甚至可能造成精度下降。 2025年2月发表的论文《基于门控循环单元的六轴力/力矩传感器温度补偿方法》（Hyun-Bin Kim、Seokju Lee、Byeong-Il Ham、Kyung-Soo Kim）探讨了温度变化对六轴力/力矩（F/T）传感器精度的严重影响。基于光耦合器的F/T传感器重量仅为45克，热容量很小，因此即使少量热量产生也会导致内部温度剧烈波动，进而引起暗电流变化，降低实时力和力矩估计的精度。该论文提出了一种基于门控循环单元（GRU）的温度校正方法，而非传统的基于多层感知器（MLP）或最小二乘法的温度校正方法。GRU能够处理时间序列数据，并且与传统方法相比，该方法能够显著提高精度。在阅读力传感器的产品规格表时，很容易忽略传感器自身发热和环境温度波动造成的漂移，但这种漂移是影响机器人手臂在实际操作中精确力控制的一个隐患。目前，将温度传感与机器学习相结合以校正这种漂移的研究仍在进行中。
决定性能的参数
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测量原理与温度范围：K型热电偶的测量范围非常宽广，可达-200至1350°C；RTD（Pt100）的测量范围为-200至850°C；热敏电阻的测量范围约为-55至150°C；半导体集成电路（如DS18B20）的测量范围为-55至125°C，TMP117的测量范围为-55至150°C。温度越高，热电偶的选择范围就越窄。半导体集成电路和热敏电阻根本无法用于高温环境，例如废气或工业炉。
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精度与温度依赖性：RTD（A级，0°C附近精度为±0.15°C）或TMP117（-20至50°C范围内精度为±0.1°C）在较窄的温度范围内具有高精度，但其容差会随着温度升高而增大。相比之下，热电偶的标准精度（±2.2°C或±0.75%）在整个温度范围内保持大致恒定的比例误差，因此更适合那些优先考虑在宽广高温范围内保持稳健性而非绝对精度的应用。
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响应速度和热容量：热敏电阻和热电偶的元件体积小、热容量低，因此响应速度快；而封装的RTD元件热容量较大，响应速度往往较慢。像 MLX90614 这样的非接触式热敏电阻无需接触目标或等待热平衡，因此即使在难以进行接触式测量的目标（例如旋转表面）上，也能即时跟踪温度。
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自热效应：热敏电阻和 RTD 都需要电流才能进行测量，而电流本身会产生焦耳热，使元件略微升温。LM35 在仅 60µA 的供电电流下即可将自热效应控制在 0.1°C 以下，而 TMP117 的功耗仅为 3.5µA，这表明随着精度要求的提高，抑制自热效应成为设计的核心重点。
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布线和实施成本：使用 RTD 追求高精度需要 4 线布线，这会增加布线成本，而 DS18B20 的 1-Wire 总线可以将多个单元串联到单根信号线上，从而显著减少多点测量所需的布线数量。在电动汽车电池组等需要数十到数百个温度监测点的应用中，线缆数量的差异会直接转化为实施成本。
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非接触式选项的价值：正如 F1 中的 IRN8C-F1 所示，当目标高速旋转时，必须避免污染，否则接触本身就会干扰测量结果。基于斯蒂芬-玻尔兹曼定律的非接触式测量首先决定了测量是否可行，而精度才是首要考虑因素。也就是说，如果发射率 \varepsilon 设置错误，读数就会出现显著偏差，因此，了解目标的表面特性（光泽度、材质）比接触式传感更为重要。
热像仪温度与材质无关吗？
发射率、反射率、透射率和观察条件都会影响表观温度。
仅凭颜色差异无法确定精确的温度差异。参考资料
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[Vishay NTCLE100E3 数据手册] （Vishay，官方PDF）](https://www.vishay.com/docs/29049/ntcle100.pdf)
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