作者：Kevin Chow
关键词：传感器，工作原理，选料
温度传感器(Thermal Sensor)可用于各种应用中，并且在电子设备中起着非常重要的作用，通过监视温度，检测异常温度来保持设备稳定的运行。市场上的温度传感器较普遍地利用机械性接触(例如簧片开关型, Reed Switch)及以半导体开关(例如热敏电阻, Thermistor)。不少的温度传感器生产商也在不断研发新技术，入将磁力应用于传感器内，让它具有更多优势，实现低成本、高精度及快速响应的热开关解决方案。
以下是3类较常見的温度传感器的简单比较：
| 磁簧开关 | 双金属温控器 | 热敏电阻 | |
| 一般外形 |  |  |  |
| 触点类型 | 机械接触 | 机械接触 | 电气接触 |
| 工作原理 | 通过使用“热铁氧体”感测温度变化，形成磁场，触发簧片打开或关闭 | 通过使用两种具有不同热膨胀系数的金属，将温度变化转化为机械位移, 并在特定的温度下打开或关闭 | 对温度敏感，通过温度引起的电阻变化來监控温度。 |
表 1： 三款热传感器的简单比较
技术分析
在一般情況下，工程师通常会首先考虑使用热敏电阻（NTC或PTC）或传统的双金属恒温器。热敏电阻通过温度变化引起的电阻变化来监视温度。 原始制造商通常提供相应的表格，但是需要电路控制。如果利用双金属的物理开关来提供ON或OFF功能——即利用双金属元素膨胀速率的传统原理——可以使开/关功能操作变成简单，但是反应速度及回复时间有时也是考虑选择的因素——例如需要在系统变热时才打开风扇或暂时关闭电源之类的应用，在系统变凉时还需要可恢复正常运行。
还有生产商使用对温度敏感的铁氧体 (Thermo Ferrite)作磁控开关，这是一种具有在居里温度(*注1)下仍有软磁性特性的铁磁物料，这种物料的饱和磁通密度随材料温度升高而降低，当它的材料的温度达到居里温度时，将迅速变为顺磁性, 即铁氧体失去磁性。
下图1和图2显示了基美研发的温度敏感铁氧体Thermolite的特性。图1显示Thermolite在居里点时迅速失去了渗透性的温度反应，图2显示在其温度接近于居里点时物料的饱和磁通密度也接近于零时的比较图。
*注 1: 法国物理学家皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现，在一定温度下，磁性材料会失去其磁性。现在，该温度被称为所谓的「居里温度」。
工作原理
此温度传感器有两种类型，即「断开类型 (Break Type) 」(图3) 和「接通类型 (Make Type)」(图4)。其结构主要由铁氧体，磁簧开关和永磁体（如果是「接通类型」，则会有缝隙）组成。内部的簧片开关与铁氧体感应温度，将热能转换成磁场能量，使簧片触点分开。
「断开类型」是常闭型传感器(NC)，由铁氧体、簧片开关和永磁体组成，如下图3图所示。当工作温度低于触发温度时，该开关为闭合；当工作温度达到或高于触发温度时，该开关为断开 。
图 3：断开类型传感器的构造 (图片来源：基美)
图 4 : 断开类型传感器的定义图 (图片来源：基美)
我们进一步了解这铁氧体在断开型热传感器中的作用。当温度低于触发温度时，铁氧体具有磁性并产生环形磁场，如图5所示。在磁场中，磁簧开关被磁感应成N极性和S极性。簧片开关的触点由于磁性吸引力而接触，并且使簧片开关变为导通。当铁氧体的温度达到触发温度（即居里温度）时，铁氧体便失去了磁通量并变为非磁性。簧片开关的触点分开，即开路。
图 5：断开类型传感器操作原理图 (图片来自基美)
「接通类型」是常开型，由铁氧体、簧片开关、间隙和永磁体组成，如图6所示。当工作温度低于触发温度时，它是开路状态操作。但当工作温度高于触发温度时，开关闭合，如下图7。
图 6：接通类型传感器的构造 (图片来自基美)
图 7：接通类型传感器的定义图 (图片来源：基美)
接通类型传感器在铁氧体材料之间有一个间隙空间，如图8所示。当温度低于触发温度，永磁体和铁氧体产生环形磁场和簧片开关的触点分开，变为开路。当铁氧体到达居里温度(触发温度)时，铁氧体会失去磁通量并变为非磁性。两边磁簧开关分别被永磁体感应为N极性和S极性，触点因磁性而造成吸引力，使簧片接通 。
图 8：接通类型传感器操作原理图 (图片来源：基美)
总而言之，使用铁氧体的簧片开关，比较于传统的双金属温控器及热敏电阻的主要优点如下:
- 高可靠性
- 对灰尘，爆炸，湿气和腐蚀具有极好的环境抵抗力
- 温度设定范围广
- 高精度
- 响应时间短
- 高稳定性
温度传感器的选择
在Digi-Key官网上，已涵盖了不同类型的温度传感器。搜索「温度传感器」关键字便一目了然。
单击“温度传感器 – 温控器 – 机械式”选项后，挑选基本操作参数（例如“电路”，“开关温度”和“复位温度”），以及性能参数（例如“容差”和“开关次数”，好友外观选项（诸如“端接样式”，“安装类型”和“包装/外壳”之类的尺寸），整个过程都非常简单，方便工程师按部就班地选料。
如果工程师要求低容差和开关次数较高的温度传感器，则基美的TRS5将是不错的选择之一。例如KEMET TRS5系列 的TRS5-90BLRU。它具有出色的温度精度±2.5°C和引线安装特性，很适合用于温度检测和电气过热监控的应用，例如家用电器、电饭锅或空调。如果尺寸是首选要求，则可以考虑Sensata的6600系列，如66L120-036，它是双金属类型和4针表面安装类型，适合用于计算机，汽车和测试设备。
总结
除了传统的双金属温控器和及以半导体开关的温度传感器之外，工程师也可以考虑使用带有磁性开关的温度传感器，其高可靠性、短响应时间和高稳定性等优点，可以为工程师提供另一种既稳定又可靠的温度控制解决方案。
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