溫度感測器基礎知識

溫度感測器使用在多種應用中，例如食品加工、HVAC 環境控制、醫療裝置、化學處理與汽車引擎蓋內部監控（如冷卻液、進氣孔、汽缸頭溫度等）。 溫度感測器能測量溫度，確保流程維持在特定範圍內，以便安全執行應用；或者也可確保在處理極高溫度、危險或無法觸及的測量點時符合法定規定。

溫度感測器分為兩種主要類型：接觸式和非接觸式。 接觸式感測器包括熱電偶和熱敏電阻，在量測時會接觸受測物體；非接觸式感測器則會量測熱源所釋放的溫度輻射，藉此判定其溫度。 非接觸式感測器能從遠方測量溫度，通常用於危險環境中。

溫度感測器類型

熱電偶

熱電偶 (TC) 是一對由兩種不同金屬所製成的接面所組成。 其中一個接面代表基準溫度，另一個則是測得溫度。 運作方式是溫度差異會產生電壓（席貝克效應，受溫度影響），然後此電壓會轉換成溫度讀數。 TC 成本低廉、堅固可靠、無需電池，並且能用於寬廣的溫度範圍，因此受到採用。 熱電偶能在高達 2,750°C 下達到良好效能，甚至能在高達 3,000°C 和低至 -250°C 下短暫維持運作。

熱電偶的優勢與難題：

• 量測值為自身溫度。
• 物體的溫度必須經過推定，且使用者必須確保熱電偶之間無熱流動。
• 長期使用後容易發生溫度讀數錯誤。 原因為何？ 線路的絕緣層受潮或受熱導致失效，‏或是受到環境中的化學物質、核子輻射或機械性干擾。
• 熱電偶屬於電氣導體，因此不可接觸其他電力來源。
• 接面處無法進行量測。
• 與電阻式溫度計相比，這些元件反應速度較快。

熱敏電阻

熱敏電阻，如同熱電偶一樣是不昂貴、立即可取得、容易使用，並且可調適的溫度感測器。 但是僅可進行簡易的溫度量測，無法用於高溫應用。 由具有電阻性的半導體材料製成，對溫度特別敏感。 熱敏電阻的電阻值會在溫度上升時降低，因此溫度變化時，即可預測電阻的變動。 廣泛用於湧入電流限制器、溫度感測器、自我重置式過電流保護器，以及自我調節加熱單元。

熱敏電阻與電阻溫度偵測器 (RTD) 的不同之處在於：1) RTD 的材質為純金屬，2) 兩者對溫度的反應不同。 熱敏電阻可依據 k 的符號分為兩類（此函數指 Steinhart-Hart 熱敏電阻公式，能將熱敏電阻的電阻值轉換成凱氏溫度度數）。 若 k 為正值，電阻會隨著溫度上升而增加，而此元件則稱為正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻。 若 k 為負值，電阻會隨著溫度上升而減少，而此元件則稱為負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻。

本文將探討 NTC 熱敏電阻的一個例子：GE 的 Type MA 系列熱敏電阻組件，專為間斷或持續性病患體溫監測用途所設計。 此應用要求可重複性和快速反應，特別是用於嬰兒照護與一般麻醉過程。

MA300（圖 1）以病患的皮膚區域做為體溫指標，即可方便進行例行且持續性的病患體溫監測。 本產品採用不鏽鋼外罩，因此適合重複使用和拋棄式應用，並可為病患提供最大的使用舒適度。 在 25°C 下，提供的標稱電阻值包括 2,252、3,000、5,000 和 10,000 Ω。

圖 1：GE 的 MA300 熱敏電阻組件係由不鏽鋼製成，採用醫療級 PVC Teflon 絕緣。 （資料來源：GE）

電阻溫度偵測器

電阻溫度偵測器 (RTD) 是具有電阻的溫度感測器，會在溫度變化時同時改變電阻值。 RTD 以準確性、可重複性與可靠度著名，薄膜型可在 -50°C 至 500°C 的寬廣溫度範圍內使用，繞線型可在 -200°C 至 850°C 內使用。

薄膜型 RTD 單元的基板上具有一層鉑薄膜。 電路佈局經過微調，能提供指定電阻。 並附有引線，且組件經過鍍層，可保護薄膜和連接部分。 比較之下，繞線式單元屬於陶瓷管或玻璃管封裝的線圈，或者是沿著玻璃或陶瓷材質纏繞。

Honeywell 的 TD 系列是 RTD 的例子之一，可用於 HVAC（室溫、風管和冰箱溫度）、馬達過載保護以及汽車（空氣或汽油溫度）應用。 在 TD 系列中，TD4A 液體溫度感測器具有雙端子螺紋式陽極鍍鋁外罩。 此環境密封式液體溫度感測器能簡化安裝，例如安裝於卡車側邊，但並不能完全浸入液體中。 單一時間常數在靜止空氣中的典型反應時間為 4 分鐘，在靜止水中為 15 秒。

TD 系列溫度感測器能對溫度變化快速反應（圖 2），且精準度在 20°C 時達 ±0.7°C。此外可完全替換，無需重新校準。 這些電阻溫度偵測器 (RTD) 感測器提供 8 Ω/°C 靈敏度，且本質上具有近似線性的輸出。

RTD 具有比熱電偶更好的精準度以及良好的替換性， 此外也具備長期穩定性。 具備高溫能力，因此通常用於工業配置中。 RTD 若以白金製成，就不會受到腐蝕和氧化影響，因此能提升穩定性。

紅外線感測器

紅外線感測器可用來量測介於 -70 至 1,000°C 的表面溫度。 能將物體釋放的熱能（波長介於 0.7 至 20 um）轉換成電氣訊號，接著會依據環境溫度進行補償，並且轉換成可用溫度單位顯示的訊號。

這些感測器可在下列情況量測溫度：

• 無法使用熱電偶或探針時。
• 目標物體正在移動（在滾輪、活動機械、輸送帶上）。
• 目標物體處於真空環境。
• 具有危險，如高電壓。
• 距離太遠。
• 溫度太高，無法使用接觸式感測器。
• 需要超快速反應。

選擇紅外線元件時，重要的考量包括：視野（視角）、發射率（在相同溫度下物體輻射能量與理想輻射體散發能量的比率）、頻譜響應、溫度範圍和安裝方式。

Texas Instruments 近期推出 TMP006 產品（圖 3）就是紅外線熱電堆感測器，採用晶片級封裝。 此非接觸式感測器使用熱電堆吸收從被量測物體發射的紅外線能量，然後利用熱電堆電壓的相對應變化判定物體的溫度。

紅外線感測器的指定電壓範圍介於 -40°C 至 +125°C，以便用於多種應用。 此元件兼具低功耗和低工作電壓特性，因此適合電池供電式應用。 晶片級尺寸的薄型封裝能採用標準大量組裝方式，而且當受測物體的空間有限時也很實用。

使用接觸或非接觸式感測器量測溫度時，需先進行基本假設與推定。 因此，詳讀規格表並且確保瞭解相關的影響因素，即可確保溫度讀數符合實際的溫度。