幾種常用溫度傳感器的原理及發(fā)展

1、引言科學技術離不開測量。測量的目的就是要獲得被測對象的有關物理或化學性質的信息，以便根據(jù)這些信息對被測對象進行評價或控制，完成這一功能的器件就我們稱之為傳感器。傳感器是信息技術的前沿尖端產品，被廣泛用于工農業(yè)生產、科學研究和生等領域，尤其是溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經歷了以下3個階段;傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件);主要是能夠進行非電量和電量之間轉換。模擬集成溫度傳感器/控制器;智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。傳感器的分類傳感器分類方法很多，常用的有2種:一種是按被測的參數(shù)分，另

2、一種是按變換原理來分。通常按被測的參數(shù)來分類，可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機械量參數(shù):位移、力、加速度、重量等;物性參數(shù):比重、濃度、算監(jiān)度等;狀態(tài)量參數(shù):顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數(shù)。溫度傳感器按傳感器于被測介質的接觸方式可分為2大類:一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器，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，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這時的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并在一定程度上還可測量物體內部的溫度分布，但對于運動的、熱容量比較小的、或對感溫元件有腐蝕作用的對象，這種方法將會產生很大的誤差。非接觸測

3、溫的測溫元件與被測對象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標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。傳感器的原理及發(fā)展傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器熱電偶傳感器熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響，具有較高的精確度;測量范圍廣，可從-50C-1600C進行連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金鐵-鎳鉻，最低可測到-269C,鎢-錸最高可達2800C。熱電偶傳感器主要按照熱電效應來工作。將兩種不同的導體A和B連接起來，組成一個閉合回路，即構成感溫元件，如圖1所示。當導體A和B的兩

4、個接點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢，因而在回路中形成一定大小的電流，這種現(xiàn)象即稱為熱電效應，也叫溫差電效應。熱電偶就是利用這一效應進行工作的。熱電偶的一端是將A、B兩種導體焊接在一起，稱為工作端，置于溫度為t的被測介質中。另一端稱為參比端或自由端，放于溫度為t0的恒定溫度下。當工作端的被測介質溫度發(fā)生變化時，熱電勢隨之發(fā)生變化，將熱電勢送入計算機進行處理，即可得到溫度值。熱電偶兩端的熱電勢差可以用下式表示:Et=E(t)-E(t0)式中：Et熱電偶的熱電勢E(t)溫度為t時的熱電勢E(t0)溫度為t0時的熱電勢當參比端的溫度to恒定時，熱電勢只于工作端的溫度有關，即Et=f(t)

5、。當組成熱電偶的熱電極的材料均勻時，其熱電勢的大小與熱電極本身的長度和直徑無關，只與熱電極的成分及兩端的溫度有關。3.2集成(IC)溫度傳感器(1)模擬集成溫度傳感器集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控測，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。目前在國內外仍普遍應用的一種集成傳感器，下面介紹一種具有

6、高靈敏度和高精度的IC溫度傳感器AN6701。AN6701的原理圖如圖2所示，它由溫度檢測電路、溫度補償電路以及緩沖放大器3部分組成。VoT57*IBR1T37iio-r-4riIC溫度傳感器的檢測電路是利用晶體管對兩個發(fā)射極的電流密度差產生基極-發(fā)射極之間的電壓差(VbC)的原理而工作的。圖3所示為溫度檢測及溫度補償電路圖。圖2中，T1-T5為檢測電路，T8-T11及RC組成的電路產生正比其絕對溫度的電流，該電流通過T12和T13注入T7,即可獲得對應于注入電流的補償溫度。RC為外接電阻，使傳感器的校準比較方便。(2)智能溫度傳感器傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。

7、它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產品。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU);并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化和諧也取決于軟件的開發(fā)水平。智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片

8、測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。提高測溫精度和分辨力21世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到1C。目前，國外已相繼推出多種高速度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是912位A/D轉換器，分辨力一般可達0.50.0625C。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，其分辨力高達0.03125C，測溫精度為土0.2C。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間

9、分別僅為27ps、9ps。增加測試功能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內部256字節(jié)的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉換模式、連續(xù)轉換模式、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言，主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉換速率(典型產品為MAX6654)，

10、分辨力及最大轉換時間(典型產品為DS1624)?？偩€技術的標準化與規(guī)范化智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采用總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信?？煽啃约鞍踩栽O計D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技術，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。新型智能溫度傳感器（例如TMP03/204、LM74、LM83）普遍采用了高性能的工-式A/D轉換器不僅能濾除量化噪聲，而且對外圍元件的精度要求低;由于采用數(shù)字反饋方式，因此比較器的失調電壓及零點漂移都不會影響溫度的轉換精度。這種智能

11、溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點。為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時產生誤動作，在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內部，都設置了一個可編程的“故障排隊（faultqueue）”計數(shù)器，專用于設定允許被測溫度值超過上、下限的次數(shù)。僅當被測溫度連續(xù)超過上限或低于下限的次數(shù)達到或超過所設定的次數(shù)n（n=l4）時，才能觸發(fā)中斷端。若故障次數(shù)不滿足上述條件或故障不是連續(xù)發(fā)生的，故障計數(shù)器就復位而不會觸發(fā)中斷端。這意味著假定n=3時，那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾，都不會影響溫控系統(tǒng)的正常工作。76型智能溫度傳感器

12、增加了溫度窗口比較器，非常適合設計一個符合ACPI（AdvancedConfigurationandPowerInterface,即“先進配置與電源接口”）規(guī)范的溫控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有完善的過熱保護功能，可用來監(jiān)控筆記本電腦和服務器中CPU及主電路的溫度。微處理器最高可承受的工作溫度規(guī)定為tH,臺式計算機一般為75C，高檔筆記本電腦的專用CPU可達100C。一旦CPU或主電路的溫度超出所設定的上、下限時，INT端立即使主機產生中斷，再通過電源控制器發(fā)出信號，迅速將主電源關斷起到保護作用。此外，當溫度超過CPU的極限溫度時，嚴重超溫報警輸出端（T_CRIT_A）也能直接關斷主電源，并且該端還可通

13、過獨立的硬件判斷電路來切斷主電源，以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護措施已成為國際上設計溫控系統(tǒng)的新觀念。為防止因人體靜電放電（ESD）而損壞芯片。一些智能溫度傳感器還增加了ESD保護電路，一般可承受10004000V的靜電放電電壓。通常是將體等效于由100pF電容1.2kQ電阻串聯(lián)而成的電路模型，當人體放電時，TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號輸出端和地址輸入端均可承受1000V的靜電放電電壓。LM83型智能溫度傳感器則可隨4000V的靜電放電電壓。最新開發(fā)的智能溫度傳感器（例如MAX6654、LM83）還增加了傳感器故障檢測功能，能自動檢測外部晶體管溫度傳感器（亦

14、稱遠程傳感器）的開路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄存阻抗抵消”（ParasiticResistanceCancellation，英文縮寫為PRC）模式，能抵消遠程傳感器引線阻抗所引起的測溫誤差，即使引線阻抗達到100Q，也不會影響測量精度。遠程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶屏蔽層的雙絞線。虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡溫度傳感器虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準，以實現(xiàn)最佳性能指標。最近，病因B&K公司已開發(fā)出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點是每只傳感器都有唯一的產品序列號并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲著對該傳感器進

15、行標定的有關數(shù)據(jù)。使用時，傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產品序列號，再從軟盤上讀出有關數(shù)據(jù)，然后自動完成對傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設置和記錄工作。結束語隨著工業(yè)生產效率的不斷提高，自動化水平與范圍的不斷擴大，對溫度傳感器的要求也越來越高，歸納起來有以下幾個方面:l擴展測溫范圍：目前工業(yè)常用的測溫范圍為-200C-3000C，隨著工業(yè)的發(fā)展，對超高溫、超低溫的測量要求越來越迫切，如在宇宙火箭技術中常常需要測量幾千度的高溫。l提高測量精度：隨著電子技術的發(fā)展，信號處理儀表的精度有了很大的提高，特別是微型計算機的使用使得對信號的處理精度更加提高。l擴大測溫對象：隨著工業(yè)和人們日常生活要求的提高，現(xiàn)在已由點測量發(fā)展到線、面測量。在環(huán)境保護、家用電器上都需要各種各樣的測溫儀表。