温度传感器工作原理.pdf

-精品文档-仅供参考学习第 1 页 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。温度传感器 这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。按照温度传感器输出信号的模式，可大致划分为三大类：数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。进入 21 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、-精品文档-仅供参考学习第 2 页 总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、可作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。温度传感器-接触式温度传感器 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计 温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，-精品文档-仅供参考学习第 3 页 常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量 120K 以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量 1.6300K 范围内的温度。温度传感器-非接触式温度传感器 它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温-精品文档-仅供参考学习第 4 页 温度传感器 度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，-精品文档-仅供参考学习第 5 页 如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数：式中为材料表面发射率，为反射镜的反射率。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。非接触测温优点：测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限-精品文档-仅供参考学习第 6 页 制。对于 1800以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700以下直至常温都已采用，且分辨率很高。温度传感器-热电偶 工作原理 当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为 T，称为工作端或热端，另一端温度为 TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，如图 2-1(a)所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时，热电偶原理图 此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯-精品文档-仅供参考学习第 7 页 度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时，在断开处 a，b 之间便有一电动势差V，其极性和大小与回路中的热电势一致，如图 2-1(b)所示。并规定在冷端，当电流由 A流向 B 时，称 A 为正极，B 为负极。实验表明，当V 很小时，V 与T 成正比关系。定义V对T 的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。-精品文档-仅供参考学习第 8 页 种类 目前，国际电工委员会（IEC）推荐了 8 种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为 T 型、E 型、J型、K 型、N 型、B 型、R 型和 S 型。温度传感器-热电阻 材料特性 导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200500温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。电阻率高，热容量小，反应速度快。材料的复现性和工艺性好，价格低。-精品文档-仅供参考学习第 9 页 热敏电阻温度特性 在测温范围内化学物理特性稳定。目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。铂电阻 铂电阻与温度之间的关系接近于线性（如右图），在 0630.74范围内可用下式表示 RtR0(1+At+Bt2)在-1900范围内为 RtR0(1+At+Bt2 十 Ct3)。式中：RO、Rt 为温度 0及 t时铂电阻的电阻值，t 为任意温度，A、B、C 为温度系数，由实验确定，A3.968410-3/，B-5.84710-72，C-4.2210-l2/3。由公式可看出，当 R0 值不同时，在同样温度下，其 Rt 值也不同。-精品文档-仅供参考学习第 10 页 铜电阻 在测温精度要求不高，且测温范围比较小的情况下，可采用铜电阻做成热电阻材料代替铂电阻。在-50150的温度范围内，铜电阻与温度成线性关系，其电阻与温度关系的表达式为 RtR0(1+At)(2-3)式中，A4.2510-34.2810-3为铜电阻的温度系数。温度传感器-模拟温度传感器 传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS 对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片 IC 上，有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有 LM3911、LM335、LM45、AD22103 电压输出型、AD590 电流输出型。这里主要介绍该类器件的几个典型。AD590 温度传感器 -精品文档-仅供参考学习第 11 页 AD590 AD590 是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为 330V，输出电流 223A（-50）423A（+150），灵敏度为 1A/。当在电路中串接采样电阻 R 时，R 两端的电压可作为喻出电压。注意 R 的阻值不能取得太大，以保证 AD590 两端电压不低于 3V。AD590 输出电流信号传输距离可达到 1km 以上。作为一种高阻电流源，最高可达 20M，所以它不必考虑选择开关或 CMOS 多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。LM135/235/335 温度传感器 LM135/235/335 系列是美国国家半导体公司（NS）-精品文档-仅供参考学习第 12 页 生产的一种高精度易校正的集成温度传感器，工作特性类似于齐纳稳压管。该系列器件灵敏度为10mV/K，具有小于 1 的动态阻抗，工作电流范围从 400A 到 5mA，精度为 1，LM135 的温度范围为-55+150，LM235 的温度范围为-40+125，LM335 为-40+100。封装形式有 TO-46、TO-92、SO-8。该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。温度传感器-逻辑输出型温度传感器 在许多应用中，我们并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，一旦温度超出所规定的范围，则发出报警信号，启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备，此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510 是其典型代表。LM56 温度开关 LM56 是 NS 公司生产的高精度低压温度开关，内置 1.25V 参考电压输出端。最大只能带 50A 的负载。电源电压从 2.710V，工作电流最大 230A，内置传感器的灵敏度为 6.2mV/，传感器-精品文档-仅供参考学习第 13 页 输出电压为 6.2mV/T+395mV。MAX6501/02/03/04 温度监控开关 MAX6501/02/03/04 是具有逻辑输出和 SOT-23 封装的温度监视器件 6052 开关，它的设计非常简单：用户选择一种接近于自己需要的控制的温度门限（由厂方预设在-45到+115，预设值间隔为 10）。直接将其接入电路即可使用，无需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503 为漏极开路低电平报警输出，MAX6502/MAX6504 为推/拉式高电平报警输出，MAX6501/MAX6503 提供热温度预置门限（35到+115），当温度高于预置门限时报警；MAX6502/MAX6504 提供冷温度预置门限（-45到+15），当温度低于预置门限时报警。对于需要一个简单的温度超限报警而又空间有限的应用如笔记本电脑、蜂窝移动电话等应用来说是非常理想的，该器件的典型温度误差是0.5，最大4，滞回温度可通过引脚选择为 2或-精品文档-仅供参考学习第 14 页 10，以避免温度接近门限值时输出不稳定。这类器件的工作电压范围为 2.7V 到 5.5V，典型工作电流 30A。温度传感器-数字式温度传感器 输出为占空比的数字温度传感器 SMT16030 是荷兰 Smartec 公司采用硅工艺生产的数字式温度传感器，其采用 PTAT 结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。PTAT 的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比 DC=0.32+0.0047*t，t 为摄氏度。输出数字信号故与微处理器 MCU 兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。该款温度传感器因其特殊工艺，还具有分辨率极高的特点，可达到 0.005K。测量温度范围-45 到 130，故适用于高精度的应用。MAX6575/76/77 数字温度传感器 如果采用数字式接口的温度传感器，上述设计问题将得到简化。同样，当 A/D 和微处理器的 I/O管脚短缺时，采用时间或频率输出的温度传感器-精品文档-仅供参考学习第 15 页 也能解决上述测量问题。以 MAX6575/76/77 系列SOT-23 封装的温度传感器为例，这类器件可通过单线和微处理器进行温度数据的传送，提供三种灵活的输出方式-频率、周期或定时，并具备0.8的典型精度，一条线最多允许挂接 8 个传感器，150A 典型电源电流和 2.7V 到 5.5V 的宽电源电压范围及-45到+125的温度范围。它输出的方波信号具有正比于绝对温度的周期，采用 6 脚 SOT-23 封装，仅占很小的板面。该器件通过一条 I/O 与微处理器相连，利用微处理器内部的计数器测出周期后就可计算出温度。可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器 DS1612 是美国达拉斯半导体公司生产的 CMOS 数字式温度传感器。内含两个不挥发性存储器，可以在存储器中任意的设定上限和下限温度值进行恒温器的温度控制，由于这些存储器具有不挥 DS1612 发性，因此一次定入后，即使不用 CPU 也仍然可以独立使用。DS1612 传感器温度测量原理和精-精品文档-仅供参考学习第 16 页 度：在芯片上分别设置了一个振荡频率温度系数较大的振荡器（OSC1）和一个温度系数较小的振荡器（OSC2）。在温度较低时，由于 OSC2 的开门时间较短，因此温度测量计数器计数值（n）较小；而当温度较高时，由于 OSC2 的开门时间较长，其计数值（m）增大。如果在上述计数值基础上再加上一个同实际温度相差的校正数据，就可以构成一个高精度的数字温度传感器。该公司将这个校正值定入芯片中的不挥发存储器中，这样传感器输出的数字量就可以作为实际测量的温度数据，而不需要再进行校准。它可测量的温度范围为-55+125，在 0+70范围内，测量精度为0.5，输出的 9 位编码直接与温度相对应。DS1621 同外部电路的控制信号和数据的通信是通过双向总线来实现的，由 CPU 生成串行时钟脉冲（SCL），SDA 是双向数据线。通过地址引脚 A0、A1、A2 将 8 个不同的地址分配给各器件。通过设定寄存器来设置工作方式，并对工作状态进行监控。被测的温度数据被存储在温度传感器寄存器中，高温（TH）和低温（TL）阈值寄存器存储了恒温器输出（Tout）的阈值。现在，各种集成的温度传感器的功能越来越专业化。比-精品文档-仅供参考学习第 17 页 如，MAXIM 公司近期推出的 MAX1619 是一种增强型精密远端数字温度传感器，能够监测远端 P-N结和其自身封装的温度。它具有双报警输出：ALERT 和 OVERT。ALERT 用于指示各传感器的高/低温状态，OVERT 信号等价于一个自动调温器，在远端温度传感器超上限时触发，MAX1619 与MAX1617A 完全软件兼容，非常适合于系统关断或风扇控制，甚至在系统“死锁”后仍能正常工作。美国达拉斯半导体公司的 DS1615 是有记录功能的温度传感器。器件中包含实时时钟、数字式温度传感器、非易失性存储器、控制逻辑电路以及串行接口电路。数字温度传感器的测量范围为-40+85，精度为2，读取 9 位时的分辨率是 0.03125。时钟提供的时间从秒至年月，并对到 2100 年以前的闰年作了修正。电源电压为 2.2V5.5V，8 脚 SOIC 封装。DS17775 是数字式温度计及恒温控制器集成电路。其中包含数字温度传感器、A/D 转换器、数字寄存器、恒温控制比较器以及两线串行接口电路。供电电压在 3V至 5V 时的测量温度精度为2，读取 9 位时的分辨率是 0.5，读取 13 位时的分辨率是0.03125。-精品文档-仅供参考学习第 18 页 温度传感器-发展趋势 现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。国际上新型温 温度传感器 度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。在 20 世纪 90 年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是 8 位 A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到 1C。国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温-精品文档-仅供参考学习第 19 页 度传感器，所用的是 912 位 A/D 转换器，分辨力一般可达 0.50.0625C。由美国 DALLAS 半导体公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度传感器，能输出 13 位二进制数据，其分辨力高达0.03125C，测温精度为0.2C。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 转换器。以 AD7817 型 5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27us、9us。进入 21 世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C 总线、SMBus总线和 spI 总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。