溫度傳感器簡介

1、 簡談溫度傳感器及研究進(jìn)展摘要：溫度傳感器是使用范圍最廣，數(shù)量最多的傳感器，在日常生活，工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都扮演著十分重要的角色。從17世紀(jì)溫度傳感器首次應(yīng)用以來，依次誕生了接觸式溫度傳感器，非接觸式溫度傳感器，集成溫度傳感器。近年來在智能溫度傳感器在半導(dǎo)體技術(shù)，材料技術(shù)等新技術(shù)的支持下，溫度傳感器發(fā)展迅速。由于智能溫度傳感器的軟件和硬件的合理配合既可以大大增強(qiáng)傳感器的功能、提高傳感器的精度，又可以使溫度傳感器的結(jié)構(gòu)更為簡單和緊湊，使用更加方便，因此智能溫度傳感器是當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)。微處理器的引入，使得溫度信號的采集，記憶，存儲(chǔ)，綜合，處理與控制一體化，使溫度傳感器向智能化方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：溫度

2、傳感器；智能溫度傳感器；接觸式溫度傳感器中圖分類號：TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AAbstract:temperature transducer is used most widely, the largest number of sensors, in daily life, such as industrial production field plays a very important role.Since the 17th century temperature sensor for the first time application, was born in turn conta

3、ct temperature sensor, non-contact temperature sensor, integrated temperature sensor.Intelligent temperature sensor in recent years in semiconductor technology, materials technology, under the support of new technologies such as the temperature sensor is developing rapidly.Due to the software and ha

4、rdware of the intelligent temperature sensor reasonable matching can greatly enhance the function of the sensor, improve the precision of the sensor, and can make the temperature sensor has simple and compact structure, use more convenient, thus intelligent temperature sensor is a hot spot nowadays.

5、The introduction of the microprocessor, which makes the temperature signal collection, memory, storage, comprehensive, processing and control integration, make the temperature sensor to the intelligent direction.Key words：temperature transducer; Smart temperature sensor; Contact temperature sensors前

6、言：溫度作為國際單位制的七個(gè)基本量之一，測量溫度的傳感器的各種各樣，溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，十分重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，溫度傳感器是使用范圍最廣，數(shù)量最多的傳感器。簡而言之，溫度傳感器（temperature transducer）就是是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼 開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。在材料技術(shù)的支持下，陶瓷，有機(jī)，納米等新材料用于溫度傳感器中可以使溫度的測量和控制更加科學(xué)和精確。由于智能溫度傳感器的軟件和硬件的合理配合既可以大大增強(qiáng)傳感器的功能、提高傳感器的精度，又可以使溫度傳感器的結(jié)構(gòu)更為簡單和緊湊，

7、使用更加方便，因此智能溫度傳感器是當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)。微處理器的引入，使得溫度信號的采集，記憶，存儲(chǔ)，綜合，處理與控制一體化，使溫度傳感器向智能化方向發(fā)展。1 溫度傳感器分類 按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類?？傮w可分為熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器，IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個(gè)階段;最初的傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件),主要是能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。到80年代出現(xiàn)的模擬集成溫度傳感器/控制器。再到當(dāng)今的研究熱門智能溫度傳感器。目前,國際上新型

8、溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、集成化向智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。1.1 根據(jù)測量方式分類1.1.1 接觸式溫度傳感器 接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸,又稱溫度計(jì)。通過熱傳導(dǎo)及對流原理達(dá)到熱平衡,這時(shí)的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高,并可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象,種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點(diǎn)是可測量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對象,也可測溫度場的溫度分布,但受環(huán)境的影響比較大。 常用的接觸式溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)

9、、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)、順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉?。低溫溫度?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結(jié)而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計(jì)的一種感溫元件，可用于測量1.6300K范圍內(nèi)的溫度。1 圖1 接觸式溫度傳感器實(shí)體圖 1.1.2

10、 非接觸式溫度傳感器 非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。非接觸溫度傳感器的測量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對最高可測溫度原則上沒有限制。對于1800以上的高溫，主要采用非接觸測溫方法。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測溫 逐漸由可見光向紅外線擴(kuò)展，700以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。 輻射測溫法包括亮度法（見光學(xué)高溫計(jì)）、輻射法（見輻射高溫計(jì)）和比色法（見比色溫度計(jì)）。各類輻射

11、測溫方法只能測出對應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實(shí)溫度。如欲測定物體的真實(shí)溫度，則必須進(jìn)行材料表面發(fā)射率的修正。而材料表面發(fā)射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測量。在自動(dòng)化生產(chǎn)中往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發(fā)射率的測量是相當(dāng)困難的。對于固體表面溫度自動(dòng)測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發(fā)射系

12、數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實(shí)測溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測表面的真實(shí)溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，從而提高有效發(fā)射系數(shù)式中為材料表面發(fā)射率，為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質(zhì)真實(shí)溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計(jì)算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動(dòng)測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實(shí)溫度。2 圖2市場上的非接觸類溫度傳感器1.2 按照傳感器材料及電子元件特性分類1.2.1 熱電阻傳感器其根據(jù)的原理是金屬隨著

13、溫度變化，電阻值也發(fā)生變化。對于不同金屬來說，溫度每變化一度，電阻值變化是不同的，而電阻值又可以直接作為輸出信號。電阻的變化有有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種類型3。1.2.2熱電偶傳感器是傳統(tǒng)的分立式傳感器，是工業(yè)測量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器,其工作原理是：根據(jù)物理學(xué)中的塞貝克效應(yīng)，即在兩種金屬的導(dǎo)線構(gòu)成的回路中，若其接點(diǎn)保持不同的溫度，則在回路中產(chǎn)生與此溫差相對應(yīng)的電動(dòng)勢.熱電偶的結(jié)構(gòu)簡單、使用溫度范圍廣、響應(yīng)快、測量準(zhǔn)確、復(fù)現(xiàn)性好、使用細(xì)偶絲還可測微區(qū)溫度，并且無需電源。它與被測對象直接接觸,不受中間介質(zhì)的影響,具有較高的精確度;測量范圍廣,可從一50一1600進(jìn)行連續(xù)測量,特殊的熱電偶

14、如金鐵一鎳鉻,最低可測到一269,鎢一徠最高可達(dá)28002。熱電偶由兩個(gè)不同材料的金屬線組成，在末端焊接在一起。再測出不加熱部位的環(huán)境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以稱之為熱電偶。不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點(diǎn)溫度變化1時(shí)，輸出電位差的變化量。對于大多數(shù)金屬材料支撐的熱電偶而言，這個(gè)數(shù)值大約在540微伏/之間。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程4。

15、圖3 一種熱電偶溫度傳感器1.3 按訊號輸出方式上的不同分類1.3.1模擬溫度傳感器 模擬溫度傳感器有多種輸出形式( 絕對溫度、攝氏溫度和華氏溫度) 以及電壓偏移值。后者讓組件在使用單電源的情形下就能對負(fù)溫度值進(jìn)行監(jiān)測。模擬溫度傳感器的輸出還可以送到比較器來產(chǎn)生超溫指示信號, 或直接送到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入, 用來顯示實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。模擬溫度傳感器適合需要低成本、小體積和低功耗的應(yīng)用。1.3.2 數(shù)字溫度傳感器 對于更緊密控制能力、更高精度和更大分辨率的需求帶動(dòng)了數(shù)字溫度傳感器的發(fā)展。被測溫度信號從敏感元件接收的非電量到轉(zhuǎn)換為微處理器可處理的數(shù)字信號, 環(huán)節(jié)較多, 而且模擬信號在長距離傳輸?shù)倪^程

16、中, 受到的干擾較多, 誤差較大。因此, 從非電量轉(zhuǎn)換到數(shù)字信號, 一般將其處理過程集在單片 IC 器件體內(nèi)部, 這樣就形成了功能強(qiáng)大, 精確的數(shù)字傳感器3。數(shù)字式傳感器與模擬傳感器相比, 由于采取高集成度設(shè)計(jì)和數(shù)字化處理, 在可靠性、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點(diǎn), 但受半導(dǎo)體器件本身限制, 數(shù)字式傳感器還存在以下不夠理想的地方。2 溫度傳感器的發(fā)展 近十年來，為了適應(yīng)工業(yè)上精度要求高，極端條件，微型化以及芯片上高度集成等的需求，研發(fā)出了模擬集成溫度傳感器與智能溫度傳感器。2.1模擬集成溫度傳感器 集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成的,因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬

17、集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問世的,它將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出等功能。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一(僅測量溫度、測溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等,適合遠(yuǎn)距離測溫,不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn),外圍電路簡單。與傳統(tǒng)分立溫度傳感器相比,集成溫度傳感器有著明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)溫度傳感器大多是基于分立的感溫元件,例如pt100,這種類型的溫度傳感器需要一定的外圍電路來測量。對于現(xiàn)在高集成度的電子產(chǎn)品來說,這顯然是不太實(shí)用和方便的。當(dāng)然,集成溫度傳感器相對于分立傳感器來說也有本事固有的缺點(diǎn):測量精度受工藝波動(dòng)的限制。在學(xué)術(shù)界雖然己經(jīng)有較高

18、精度的CMOS集成溫度傳感器的文獻(xiàn)發(fā)表(±0.1°C) 5。但是由于TRIM成本較高,并不能完全應(yīng)用于實(shí)際的大規(guī)模量產(chǎn)中。考慮到實(shí)際應(yīng)用的需要,并不是所有的應(yīng)用都需要到達(dá)如此精度,2.2智能溫度傳感器 智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)與各種微處理器結(jié)合，連接到網(wǎng)絡(luò)中，通過智能理論（人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)技術(shù)、模糊技術(shù)等）對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成帶有信號處理、溫度控制、邏輯功能等一系列功能的智能溫度傳感器6。 智能溫度傳感器是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前,國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器

19、內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲(chǔ)器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。智能溫度傳感器能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量,適配各種微控制器(MCU),并且可通過軟件來實(shí)現(xiàn)測試功能,其智能化取決于軟件的開發(fā)水平。智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢7： 1提高測溫精度和分辨力 2增加測試功能 3總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化 4可靠性及安全性設(shè)計(jì) 5虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò)溫度傳感器發(fā)展前景： 近年來，我國工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程和電子信息產(chǎn)業(yè)連續(xù)的高速增長，帶動(dòng)了傳感器市場的快速上升。溫度傳感器作為傳感器中的最重要一類，占整個(gè)傳感器總需求量的40%以上8。溫度傳感器用途十分廣闊，可用作溫度測量與控制、溫度補(bǔ)償、流速、流量和風(fēng)速測定、液位指