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機器人學: 感測器: 熱感測器

溫度可能是一個有趣的測量引數。周圍環境的溫度對於移動機器人可能不是很有用，而電機或電池組的溫度卻是有用的。

什麼是溫度？

"溫度：與原子和分子無序微觀運動相關的平均平動動能成正比的量度。熱量從高溫區域流向低溫區域。

單位及其轉換

溫度最常用的單位是攝氏度、開爾文和華氏度。

攝氏度

該溫標以水為基準。它將 0 °C 定義為水在標準大氣壓下結冰的溫度。100 °C 定義為水沸騰的溫度。

轉換

轉換為華氏度：Tc * 9/5 +32

轉換為開爾文：Tc + 273,15

開爾文

開爾文是一個溫標，只有一個定義的溫度：0 開爾文是可能的最低溫度，約為 -273,15 °C。開爾文增加 1 度與攝氏度增加 1 度大小相同。
開爾文（注意，不是度開爾文）溫標用於科學和工程領域，大多數包含溫度的公式都需要使用開爾文，除非涉及溫差，在這種情況下可以使用攝氏度和開爾文，因為 10 到 20 開爾文之間的溫差與 10 到 20 攝氏度之間的溫差是相等的。

轉換

轉換為華氏度：Tk *9/5 -459,67

轉換為攝氏度：Tk - 273,15

華氏度

該溫標使用當時可測量的最低溫度，以及人體溫度。第一個溫度定義為 0 °F，第二個溫度定義為 100 °F。這將 0 °C 置於 32 °F，將 100 °C 置於 212 °F。1 °F 的溫差與 1 °C 的溫差大小不同。

轉換

轉換為開爾文：(Tf + 459,67) * 5/9

轉換為攝氏度：(Tf - 32) * 5/9

溫度測量方法

非電氣方法

這些非電氣方法中有任何對機器人有用嗎？

傳統測量溫度的方式是使用玻璃毛細管中的汞膨脹。新型溫度計使用其他液體，如酒精。其他方法使用兩條熱膨脹率不同的薄金屬條，將它們熔合在一起，被稱為雙金屬或雙金屬片。

另一種方法是使用封閉的金屬毛細管系統中的氣體或液體或氣液組合的膨脹，被稱為氣體溫度計和充填系統。其他方法使用某些材料的相變，例如油漆和糊劑，當達到特定溫度時，它們的反射率或顏色會永久改變。這些通常被稱為溫度或熱油漆和標籤。

另一種方法是利用某些液晶在不同溫度下的反射率變化。一種原始的溫度計，以伽利略命名，使用幾個精確的砝碼放在帶有標記的小玻璃球中，這些小玻璃球的體積已知，所有小玻璃球都放在一個裝滿水的垂直圓柱體中，圓柱體的尺寸足夠大，可以容納所有小玻璃球，並且寬度足夠大，可以讓小玻璃球自由地互相穿過。當元件的溫度發生變化時，水的密度也會發生變化，小玻璃球會在圓柱體中根據其密度假設不同的高度，最高位置的小玻璃球表明溫度在或低於其標記值。

電氣或熱電方法

熱電偶

熱電偶由兩根不同金屬的導線組成，兩端連線在一起，絕緣，但在其長度上保持熱接觸。當它們遇到從一端到另一端的溫度梯度時，由於塞貝克效應，電流會流過電路。如果開啟其中一根導線，用適當高阻抗的電壓表測量兩端之間的電壓，將測得一個電壓，該電壓幾乎等於平均相對塞貝克係數乘以熱端和冷端之間的溫差。

在過去的百年中，人們已經開發了許多材料組合的熱電效能，並且其中一些材料組合已經標準化，更常見的是以它們的 ISA 字母代號作為標準。它們的冷端參考溫度分別為 32 華氏度和 0 攝氏度時的電氣輸出已在 ASTM 標準 E230 中廣泛釋出。許多網路資源都提供這些表格值，包括美國的美國國家標準與技術研究院 (NIST)。

溫度敏感電阻

許多導電材料的電阻會隨著溫度變化，即它們是溫度敏感電阻。

溫度敏感電阻主要分為兩種：正溫度係數 (PTC) 器件和負溫度係數 (NTC) 器件。

通常，PTC 器件，如果由金屬製成，被稱為電阻溫度檢測器或 RTD。由其他材料製成的器件通常被稱為熱敏電阻，是熱電阻的簡稱。

RTD 是一種高度發達的技術，在全世界範圍內都有使用，並且存在幾個國際標準來規範使用最廣泛的型別，即由純鉑製成的 RTD。它們通常被稱為鉑電阻溫度計或簡稱為 PRT。非常特殊的 PRT 用作 1990 年國際溫標 (ITS-90) 的內插裝置，這些裝置以及商業銷售的類似裝置通常被稱為標準鉑電阻溫度計或 SPRT。

最常用的 RTD 材料（鉑、鎳和銅）的表格可以在幾個國際和國家標準以及網路上的許多地方找到。

熱敏電阻也發展得非常成熟，但它們的特性沒有統一的標準。每個供應商都有自己的產品，並提供自己的校準表。這些表格中的一些已在測量資料庫網站上編目。

許多流行的熱敏電阻使用 B 為 3300 K 的材料或 B 為 5133 K 的材料，或者其他一些具有中間值的材料製造。

無論材料如何，大多數熱敏電阻在室溫 (298.15 K = 25 °C) 下的電阻都為以下首選值之一：1 kΩ、2 kΩ、5 kΩ、10 kΩ、20 kΩ、50 kΩ、100 kΩ、200 kΩ、500 kΩ、1 MΩ。

• PBASIC 程式設計/RCTIME 和 "RepRap: ExtruderIO" 提供了更多關於測量電容 + 熱敏電阻電路的 RC 時間常數的詳細資訊；然後根據該時間計算溫度。
• 嵌入式系統/低壓電路 和 "RepRap: 熱敏電阻" 提供了更多關於測量“分壓器”電阻 + 熱敏電阻電路的輸出電壓的詳細資訊；然後根據該電壓計算溫度。

半導體

半導體，如二極體和電晶體，具有隨溫度變化很大的特性。這是由於此類器件的帶隙對溫度敏感，這種敏感性高度可重複且非常穩定，尤其是在矽半導體中。

一些積體電路 (IC) 製造商，如 Analog Devices、Dallas Semiconductors 和 National Semiconductors，製造了許多基本二極體溫度感測器的變體，這些變體帶有額外的電路，以將輸出進行縮放，以便與簡單的數字顯示儀表一起使用。

輻射溫度計和光學高溫計

如今流行的耳溫計和低成本“雷射”溫度計是輻射溫度計（高溫計）的變體，這種溫度計始於 19 世紀。這些裝置都基於從本質上講所有事物的熱輻射特性，無論是氣體、液體還是固體。所有材料內部的工作物理過程包括髮射電磁輻射，這種輻射是物體溫度和光學特性的函式。

19 世紀最後一年，馬克斯·普朗克首次正確地描述了熱輻射的物理發射。他的理論導致了物理學的量子革命。它經受住了時間的考驗，成為一個準確可靠的熱輻射發射理論，使儀器設計師能夠開發出無需接觸被測物體即可測量溫度的儀器，其精度和重複性水平非常高。此類裝置的標準很少。