37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，都会记录下来——小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验五：热敏电阻传感器模块继电器开关智能车机器人配件环境温度传感器(3/4线)

知识点：热与热电效应
一、热（Heat）
1、热学（thermology）——是研究物质处于热状态时的有关性质和规律的物理学分支，它起源于人类对冷热现象的探索。人类生存在季节交替、气候变幻的自然界中，冷热现象是他们最早观察和认识的自然现象之一。热学主要研究热现象及其规律，它有两种不同描述方法—热力学和统计物理。热力学是其宏观理论，是实验规律。统计物理学是其微观描述方法，它通过物理简化模型，运用统计方法找出微观量与宏观量之间的关系。

2、热量（Heat）——热量是指由于温度差别而转移的能量；也是指1公克的水在1大气压下温度上升1摄氏度所产生的能量; 在温度不同的物体之间，热量总是由高温物体向低温物体传递；即使在等温过程中，物体之间的温度也不断出现微小差别，通过热量传递不断达到新的平衡。由于温差的存在而导致的能量转化过程中所转化的能量；而该转化过程称为热交换或热传递；热量的公制为焦耳。热量与热能之间的关系就好比是做功与机械能之间的关系一样。若两区域之间尚未达至热平衡，那么热便在它们中间温度高的地方向温度低的另一方传递。任何物质都有一定数量的内能，这和组成物质的原子、分子的无序运动有关。当两不同温度的物质处于热接触时，它们便交换内能，直至双方温度一致，也就是达致热平衡。这里，所传递的能量数便等同于所交换的热量数。许多人把热量跟内能弄混，其实热量指的是内能的变化、系统的做功。热量描述能量的流动，而内能描述能量本身。充分了解热量与内能的分别是明白热力学第一定律的关键。

3、热能（Thermal energy）——在热力学中，热能是能量的一种形式，指存在于系统中的内部能量，宏观表现为物体的温度。一个物体的热能和其整体的运动状态（即物体的位置与速度）无关，仅和物体的内部状态有关，因此我们有时也称热能为内能。热能是这个概念在物理或热力学方面没有明确定义，因为内部能量可以在不改变温度的情况下进行改变，而无法区分系统内部能量的哪一部分是“热”。热能有时被松散地用作更严格的热力学量（例如系统的（整个）内部能量）的同义词;或用于定义为能量转移类型的热或显热（正如工作是另一种类型的能量转移）。热量和工作取决于能量转移发生的方式，而内部能量是系统状态的属性，因此即使不知道能量到达那里也是可以理解的。

4、热运动（thermal motion）——物体内大量分子的不规则运动叫做热运动。热运动是自然界中独立存在的基本运动形式之一，有巨大数量微观粒子（分子、原子、电子或点阵粒子等）参与的永不停息的无规则运动，并伴有频繁碰撞。分子热运动是指一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。温度移速影响分子的热运动，温度越高，热运动则越剧烈。生活中有很多分子热运动的实例，如我们吃的咸蛋、咸菜等，都是因为 NaCl 分子不断运动，而进入蛋或菜中，使其变咸。组成气体的分子都十分好动。比如茉莉花，一旦开了花，就可以闻到扑鼻香气；鱼、肉腐烂了，会弄得周围臭气熏天。组成液体的分子也很好动。在一杯清水里滴入一滴墨水，墨水就会慢慢散开，和水完全混合。
5、温度（temperature）——温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。温度理论上的高极点是“普朗克温度”，而理论上的低极点则是“绝对零度”。“普朗克温度”和“绝对零度”都是无法通过有限步骤达到的。国际上用得较多的温标有摄氏温标（°C）、华氏温标（°F） 、热力学温标（K）和国际实用温标。从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。根据某个可观察现象（如水银柱的膨胀），按照几种任意标度之一所测得的冷热程度。

二、热电（thermoelectricity）
1、热电的概念——将两块不同的金属（如铜和铁）靠在一起时，由于两金属中自由电子浓度的不同，使得电子从一金属向另一金属扩散转移，电子转移量与金属所处的温度有关。如果将两块金属处于同一温度，那么电子转移会达到一种平衡，这种平衡使得两金属的接触界面上产生一个电势差，称为接触电势。温度不同，接触电势也不同，根据接触电势的大小，可以测量触点所处的温度，这种装置称为热电偶。如果将两个类似于热电偶的金属接触面置于不同的温度下，并用导线将它们连接起来形成闭合回路，那么，在导线中将会产生不间断的电流，这就是最简单的温差发电。
2、热电性（pyroelectricity）——是指电介质的极化强度（简称极化）随温度 变化而改变，从而在其表面发生电荷的释放和吸收的性质，它只能发生在不具有中心对称的晶体中。某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷的性质。它只能发生在不具有中心对称的晶体中。在32种晶体的宏观对称类型中，只有10种具有惟一的极轴；晶体中离子沿极轴正反两个方向的配置不完全相同而产生电矩，导致晶体沿极轴方向出现一个宏观不等于零的固有极化强度P。通常在晶体表面上总电矩的正负端容易吸附异性电荷直到完全抵消总电矩所产生的宏观电场，所以这种固有极化并不表露出来。但是P与温度有关；当温度变化时由于P的改变而释放出表面吸附的部分电荷，这种现象称为热电效应。具有热电性的晶体称为热电体。经过人工极化的铁电体都具有热电性。
3、热电材料（Thermoelectric material）——热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的珀耳帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。

三、热电效应（thermo electric effect）
1、热电效应是一个电导体和半导体诸如金属时，热流的热能量和电流的电能彼此会相互影响通用的。是一个由温差产生电压的直接转换，且反之亦然。简单的放置一个热电装置，当他们的两端有温差时会产生一个电压，而当一个电压施加于其上，他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度，冷却或加热物体。所谓的热电效应，是当受热物体中的电子（空穴），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用称为thermopower(Q)的参数来测量，其定义为Q=E/-dT(E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度)。

2、热电效应的原理以及相关应用——
热电效应的原理：所谓热电效应，是当受热物体中的电子，因随温度梯度由高温区向低温区移动时，所产生的一种电流或电荷堆积的一种现象。定义为温度与电压相互转化的现象。包括西伯克效应，帕尔贴效应，汤姆孙效应等。
（1）西伯克效应：有两种不同的导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在着温度差，这开路中将产生感应电动势。这就是西伯克效应，由西伯克效应而产生的电动势称为温差电动势。
（2）帕尔贴效应：电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量或向外界放出热量，这就是帕尔贴效应。由帕尔贴效应产生的热流量称为帕尔贴热。
（3）汤姆孙效应：电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量，这就是汤姆孙效应。由汤姆孙效应产生的热流量，称为汤姆孙热。在电制冷的分析中，通常忽略汤姆孙效应的影响。在以上的热电效应中，电流反向时是可逆的。由于固体系统中存在具有限温差和热流，所以热电制冷是不可逆的热力学过程。热电效应的应用，热电制冷又称温差电制冷，或半导体制冷。
3、生物热电——
美国科学家发现，鲨鱼鼻子里的一种胶体能把海水温度的变化转换成电信号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知细微的温度变化，从而准确地找到食物。科学家猜测，其他动物体内也可能存在类似的胶体.这种因温差而产生电流的性质与半导体材料的热电效应类似，人工合成这种胶体，有望在微电子工业领域获得应用。美国旧金山大学的一位科学家在英国《自然》杂志上报告说，他从鲨鱼鼻子的皮肤小孔里提取了一种与普通明胶相似的胶体，发现它对温度非常敏感，0.1摄氏度的温度变化都会使它产生明显的电压变化。鲨鱼鼻子的皮肤小孔布满了对电流非常敏感的神经细胞.海水的温度变化使胶体内产生电流，刺激神经，使鲨鱼感知到温度差异。科学家认为，借助这种胶体，鲨鱼能感知到0.001摄氏度的温度变化，这有利于它们在海水中觅食。

哺乳动物靠细胞表面的离子通道感知温度：外界温度变化导致带电的离子进出通道，产生电流，刺激神经，从而使动物感知冷暖。与哺乳动物的这种方式不同，鲨鱼利用胶体，不需要离子通道也能感知温度变化。

4.5.2. 热电传感器与热敏电阻相关资料（知识点）
一、热电传感器（Pyroelectric sensor）
1、热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。温度是表征物体冷热程度的物理量。它反映物体内部各分子运动平均动能的大小。温度可以利用物体的某些物理性质（电阻、电势、等）随着温度变化的特征进行测量。测量方法按作用原理分接触式和非接触式。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻。
2、工作原理——热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。其产生的机理为：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。
热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。
3、特点
（1）热电偶特点——测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广：常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬)，最高可达+2800℃(如钨-铼)。构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。
（2）热电阻特点——信号输出较大，易于测量；热电阻要借助外加电源，而热电偶可自身产生电势；热电阻的测温反应速度慢；同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。

二、热电阻（thermal resistor）
1、热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁—镍等。
2、工作原理——热电阻的测温原理是基于导体或半导体的电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。热电阻通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它二次仪表上。热电阻的测温原理与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。
3、主要特色——
(1) 高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。
(2) 化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。
(3) 良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。
(4) 良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。
铂电阻较为精确但是成本较高，铜电阻适于在温度较低和没有侵蚀的介质中工作。

三、热敏电阻（Thermistors）
1、热敏效应——指某些材料的电阻率随温度变化而较明显改变的现象。利用热敏效应可制作热敏电阻，这类半导体陶瓷材料一般可分为负温度系数（NTC）、正温度系数（PTC）和临界温度系数（CTR）三类。
（1）负温度系数热敏电阻还可分常温（300℃以下）和高温两类，前者主要由二氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化亚铁等2～4种迁移性氧化物混合而成，后者按主相可分为尖晶石系、钙钛矿系、氧化锆系、碳化硅系几种。这类热敏电阻用途很广，可用于测温、控温、热补偿元件、功率计、稳压器、限幅器、气压计、流量计、热导计和延时器等。
（2）正温度系数热敏电阻按材料的居里温度分低温和高温两种，按使用电压分为低压、常压和高压三种，按电阻率-温度曲线陡度分为缓变型和开关型等。正温度系数热敏电阻主要以钛酸钡为基体，用途广泛，如用于多种自控温加热器、过电流保护器、过热保护器、传感器、冰箱马达起动器、彩电消磁器、时间延迟器等。
（3）临界温度系数热敏电阻的特点是温度达到某临界温度时电阻值突然下降几个数量级。它主要由三氧化二钒、三氧化二钛、二氧化铌等主晶相构成。可用于过热保护和火灾报警等方面的探温和控温元件。
2、热敏电阻的概念——热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。电阻值随温度变化的一种热敏元件（半导体）。热敏电阻是由一些金属氧化物, 采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、垫圈状等各种形状。热敏电阻具有以下优点，电阻温度系数大，灵敏度高，结构简单，电阻率高，热惯性小；但它阻值与温度变化呈非线性，且稳定性和互换性较差。

3、热敏电阻的主要特点——
①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；
②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～-55℃；
③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；
④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；
⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；
⑥稳定性好、过载能力强。

4、热敏电阻内部结构示意图

5、热敏电阻工作原理——热敏电阻将长期处于不动作状态；当环境温度和电流处于c区时，热敏电阻的散热功率与发热功率接近，因而可能动作也可能不动作。热敏电阻在环境温度相同时，动作时间随着电流的增加而急剧缩短；热敏电阻在环境温度相对较高时具有更短的动作时间和较小的维持电流及动作电流。
当电路正常工作时，热敏电阻温度与室温相近、电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电路因故障而出现过电流时，热敏电阻由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过开关温度时，电阻瞬间会剧增，回路中的电流迅速减小到安全值。热敏电阻动作后，电路中电流有了大幅度的降低。电阻一般在十几秒到几十秒中即可恢复到初始值1.6倍左右的水平，此时热敏电阻的维持电流已经恢复到额定值，可以再次使用了。面积和厚度较小的热敏电阻恢复相对较快；而面积和厚度较大的热敏电阻恢复相对较慢。

6、热敏电阻的技术参数
①标称阻值Rc：一般指环境温度为25℃时热敏电阻器的实际电阻值。
②实际阻值RT：在一定的温度条件下所测得的电阻值。
③材料常数：它是一个描述热敏电阻材料物理特性的参数，也是热灵敏度指标，B值越大，表示热敏电阻器的灵敏度越高。应注意的是，在实际工作时，B值并非一个常数，而是随温度的升高略有增加。
④电阻温度系数αT：它表示温度变化1℃时的阻值变化率，单位为%/℃。
⑤时间常数τ：热敏电阻器是有热惯性的，时间常数，就是一个描述热敏电阻器热惯性的参数。它的定义为，在无功耗的状态下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突然改变时，热敏电阻体的温度变化了两个特定温度之差的63.2%所需的时间。τ越小，表明热敏电阻器的热惯性越小。
⑥额定功率PM：在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续负载所允许的耗散功率。在实际使用时不得超过额定功率。若热敏电阻器工作的环境温度超过 25℃，则必须相应降低其负载。
⑦额定工作电流IM：热敏电阻器在工作状态下规定的名义电流值。
⑧测量功率Pc：在规定的环境温度下，热敏电阻体受测试电流加热而引起的阻值变化不超过0.1%时所消耗的电功率。
⑨最大电压：对于NTC热敏电阻器，是指在规定的环境温度下，不使热敏电阻器引起热失控所允许连续施加的最大直流电压；对于PTC热敏电阻器，是指在规定的环境温度和静止空气中，允许连续施加到热敏电阻器上并保证热敏电阻器正常工作在PTC特性部分的最大直流电压。
⑩最高工作温度Tmax：在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许的最高温度。
⑾开关温度tb:PTC热敏电阻器的电阻值开始发生跃增时的温度。
⑿耗散系数H：温度增加1℃时，热敏电阻器所耗散的功率，单位为mW/℃。

7、热敏电阻的分类——
（1）PTC（Positive Temperature CoeffiCient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器．该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、 Bi、 Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料．其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化。PTC热敏电阻除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热器和开关三种功能，称之为“热敏开关”。
（2）NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料．该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻．其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化．还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面。
（3）CTR（CritiCal Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数，也称为临界温度热敏电阻。构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称CTR为玻璃态热敏电阻．骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变．这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔不同造成的．若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失．产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体-金属相移，CTR能够作为控温报警等应用。

8、热敏电阻的检测——检测时，用万用表欧姆档（视标称电阻值确定档位，一般为R×1挡），具体可分两步操作：首先常温检测（室内温度接近25℃），用鳄鱼夹代替表笔分别夹住PTC热敏电阻的两引脚测出其实际阻值，并与标称阻值相对比，二者相差在±2Ω内即为正常。实际阻值若与标称阻值相差过大，则说明其性能不良或已损坏。其次加温检测，在常温测试正常的基础上，即可进行第二步测试—加温检测，将一热源（例如电烙铁）靠近热敏电阻对其加热，观察万用表示数，此时如看到万用示数随温度的升高而改变，这表明电阻值在逐渐改变（负温度系数热敏电阻器NTC阻值会变小，正温度系数热敏电阻器PTC阻值会变大），当阻值改变到一定数值时显示数据会逐渐稳定，说明热敏电阻正常，若阻值无变化，说明其性能变劣，不能继续使用。
测试时应注意以下几点：（1）Rt是生产厂家在环境温度为25℃时所测得的，所以用万用表测量Rt时，亦应在环境温度接近25℃时进行，以保证测试的可信度。（2）测量功率不得超过规定值，以免电流热效应引起测量误差。（3）注意正确操作。测试时，不要用手捏住热敏电阻体，以防止人体温度对测试产生影响。（4）注意不要使热源与PTC热敏电阻靠得过近或直接接触热敏电阻，以防止将其烫坏。

9、热敏电阻主要应用——可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。

10、热敏电阻的符号及常用电路——