第一章溫度傳感器

第一章溫度傳感器主講教師：張京玲信息工程學院

v定義：

溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電學量變化的裝置。

v用途：

用于檢測溫度和熱量，也稱為熱電式傳感器。

v重要性：

與生活、科研、生產(chǎn)密切相關。

應用最廣泛。第一章溫度傳感器五邑大學傳感器原理及應用思考溫度傳感器可以將溫度變化轉(zhuǎn)換為哪些電學量呢？第一章溫度傳感器v將溫度T變化-------電阻變化的元件，主要有金屬熱電阻、半導體熱電阻、陶瓷熱敏電阻(NTC、PTC、CTR)和高分子熱敏電阻；將溫度變化-------電勢的傳感器，主要有熱電偶和PN結式傳感器；將熱輻射-------電學量的器件，有熱釋電探測器、紅外探測器；v集成溫度傳感器、光纖溫度傳感器、液晶溫度傳感器、智能溫度傳感器等溫度傳感器分類第一章溫度傳感器五邑大學傳感器原理及應用電阻型溫度傳感器半導體PN結型溫度傳感器熱電偶其它溫度傳感器第一章溫度傳感器1.1電阻型溫度傳感器1.1電阻型溫度傳感器金屬熱電阻簡稱熱電阻半導體熱電阻簡稱熱敏電阻溫度感溫材料電阻五邑大學傳感器原理及應用熱電阻半導體熱電阻溫度傳感器熱敏電阻電阻式溫度傳感器的應用1.1電阻型溫度傳感器Rt：任意絕對溫度t時的電阻值R0：基準狀態(tài)溫度t0時的電阻值

：溫度系數(shù)（1/℃）一、熱電阻的特性

1.1.1熱電阻五邑大學傳感器原理及應用思考制作熱電阻的感溫材料有什么要求？1.1.1熱電阻1.1.1熱電阻

感溫材料的要求:電阻溫度系數(shù)：純金屬性能穩(wěn)定：測溫準確性良好的輸出特性：線性

高的電阻率良好的加工性、價格便宜

0～630.755℃:1.鉑熱電阻1.1.1熱電阻v穩(wěn)定性好、重復性好v熱電阻最佳材料，但是貴。v用于高精度工業(yè)測量:標準電阻溫度計、溫度基準。-190～0℃:

用于一般測量精度和測量范圍較小時，易于得到高純度材料、價格低廉，易氧化。2.銅熱電阻1.1.1熱電阻-50～150℃：一般只用于150度以下，無水分和無侵蝕性的低溫環(huán)境中。1.1.1熱電阻3.其它熱電阻

鐵和鎳電阻：應用較少

靈敏度高，電阻率較大。易氧化，不易提純，非線性。1.1.1熱電阻銦電阻錳電阻碳電阻低溫測量-273～-268.5℃，熱容量小，靈敏度高熱穩(wěn)定性較差。-269～-258℃，測量精度高，靈敏度高重現(xiàn)性差。

-271～-210℃用，靈敏度高脆性高，易損壞；

1、結構：

組成：感溫元件、內(nèi)引線、絕緣套管、保護套管和接線盒。將電阻絲無感雙線繞在云母、石英、陶瓷、塑料等絕緣架上，固定后外面再加上保護套管。

1.1.1熱電阻

2、測量電路：用精度較高的電橋電路。兩線制連接方式存在的問題：引線電阻為消除連接導線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差，常采用三線和四線連接法。1.1.1熱電阻優(yōu)點：性能穩(wěn)定，測量范圍寬、精度高、低溫測量。不足：需輔助電源，熱容量大，限制用于動態(tài)測量。措施：為避免電熱效應，電流一般應小于10mA。1.1.1熱電阻

正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC

負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR1.1.2熱敏電阻

材料：

金屬氧化物(Mn3O4、CuO、NiO、Co3O4)為基體、添加劑、陶瓷工藝制成。

半導體陶瓷。特點：

靈敏度高、重復性好、成本低、體積小、使用方便。

熱敏電阻五邑大學傳感器原理及應用思考什么是PTC、NTC、CTR？1.1.2熱敏電阻

五邑大學熱敏電阻主要有三種類型，即正溫度系數(shù)型(PTC)、負溫度系數(shù)型(NTC)、和臨界溫度系數(shù)型(CTR)。CTR臨界熱敏電阻有一突變溫度，此特性可用于自動控溫和報警電路中。熱敏電阻的主要特性1081021041060圖三類熱敏電阻的溫度特性溫度（℃）電阻（Ω）NTCCTRPTC40801201601801.1.2熱敏電阻

五邑大學傳感器原理及應用思考熱敏電阻的特性參數(shù)有哪些？1.1.2熱敏電阻

一、熱敏電阻特性參數(shù)

標稱電阻值（R25）：

25℃、零功率狀態(tài)的阻值。大小取決于電阻的材料和幾何尺寸。25℃～27℃：2.電阻溫度系數(shù)(αT)：規(guī)定溫度下，單位溫度變化使阻值變化的相對值。αT

決定了熱敏電阻全部工作范圍內(nèi)對溫度的靈敏度。1.1.2熱敏電阻

時間常數(shù)(τ)：表征電阻的熱慣性.

在零功率測量狀態(tài)下,當環(huán)境溫度突變時,阻值從起始值變化到最終變化量的63%時所需的時間。額定功率（PE）：在標準壓力750mmHg和規(guī)定的最高溫度下，電阻期連續(xù)工作所允許的最大耗散功率。實際中所消耗的功率不得超過PE。1.1.2熱敏電阻

1.電阻溫度特性突變型（開關型）：

曲線Ⅰ中阻值隨溫度變化很陡Tb為開關溫度溫度變化與電阻變化為指數(shù)關系溫度系數(shù)與溫度無關

1.1.2熱敏電阻

二、PTC熱敏電阻1.1.2熱敏電阻

緩變型：曲線Ⅱ阻值隨溫度變化緩慢溫度變化與電阻變化為線性關系溫度系數(shù)隨溫度變化

適用于溫度補償靜態(tài)伏安特性：

一定溫度下，靜止的空氣中，PTC電阻兩端的電壓降與電阻穩(wěn)態(tài)電流之間的關系。曲線可分為AB、BC、CD三段。2、PTC的靜態(tài)伏安特性曲線電流I(A)電壓U(V)1.1.2熱敏電阻

五邑大學如圖所示是一種熱敏電阻（PTC元件）的電阻R隨溫度t變化的關系圖線，這種元件具有發(fā)熱、控溫雙重功能．常見的電熱滅蚊器中就使用這種元件來加溫并控制溫度．如果將該元件接到220V電壓下，則A．通電后，其電功率先增大后減小B．通電后，其電功率先減小后增大C．當其發(fā)熱功率等于散熱功率時，溫度保持在t1不變D．當其發(fā)熱功率等于散熱功率時，溫度保持在t1到t2之間的某一值不變t/℃Rt2t1AD1.1.2熱敏電阻

三、NTC熱敏電阻1.NTC電阻的溫度特性

隨T升高而迅速減小，可用于溫度檢測、溫度補償、控溫等各種電路。1.1.2熱敏電阻

2.NTC靜態(tài)伏安特性曲線oa段：電壓隨電流增大線性增大。ab段：電壓偏離線性，隨電流增加。bd段：電壓隨電流增加下降很快。de段：電壓下降緩慢。1.1.2熱敏電阻

指在某一溫度附近電阻值發(fā)生突變，于幾度的狹小溫區(qū)內(nèi)，隨溫度的增加阻值降低3～4個數(shù)量級的元件。阻值的突變點為臨界溫度點。四、CTR熱敏電阻宏觀開關溫度：電阻值下降到某一規(guī)定值時所對應的溫度。該規(guī)定值稱為開關電阻Rc。1.1.2熱敏電阻

五邑大學傳感器原理及應用思考如何確定開關電阻值？1.1.2熱敏電阻

1.1.2熱敏電阻

開關電阻：按曲線求出切線在高阻端的交點Rh和切線在低阻端的交點Rl，算出Rc。

降值比ψ：描述阻值下降的快慢，即標稱電阻R25與最小電阻比值Rmin的對數(shù)，即

降值比越大，開關特性越好。由于CTR電阻具有很大的負溫度系數(shù)，可用作控溫、報警、無觸點開關等場合。1.1.2熱敏電阻

五邑大學熱敏電阻的結構熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（Co）、錳（Mn）、鎳（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高溫燒結而成。其形狀有珠狀、片狀、棒狀、圓片狀等。（b）片狀（c）棒狀（d）圓片狀圖熱敏電阻的結構類型（a）珠狀玻璃殼熱敏電阻引線1.1.2熱敏電阻

與金屬電阻相比，熱敏電阻的優(yōu)點（1）溫度電阻系數(shù)比金屬熱電阻要大10-100倍，因此靈敏度很高。（2）電阻率很大可以制成體積小而阻礙值大的電阻體，連接導線的電阻變化可以忽略不計。（3）時間常數(shù)小，響應速度快。（4）結構簡單，價格便宜。熱敏電阻的缺點（1）復現(xiàn)性差，特性分散性很大，非線性嚴重（2）電阻與溫度的關系不穩(wěn)定，隨時間而變化，使測溫誤差較大（3）測溫范圍較窄，目前只能達到-50～300℃。1.1.2熱敏電阻

五邑大學例：分析如圖示的熱敏電阻設計一個高溫報警器工作原理。高溫報警器正常情況綠燈亮，有險情時電鈴報警?？晒┻x擇的器材如下：熱敏電阻、綠燈泡、小電鈴、學生用電源、繼電器、滑動變阻器、開關、導線。解：aedcb正常時熱敏電阻值大，ab間電流小，磁性弱，ce處于閉合，綠燈亮。有險情時，熱敏電阻值小，ab間電流大，磁性強，吸住銜鐵，cd閉合，ce斷開，綠燈滅，電鈴響。1.1.2熱敏電阻

五邑大學傳感器原理及應用思考為什么半導體的電阻值會隨著溫度變化呢？1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

利用電阻率隨溫度變化的特性制成溫度傳感器。一、工作原理半導體的導電能力：載流子的遷移載流子：電子和空穴半導體材料的電阻率：

n為材料的電子濃度為電子遷移率

p為材料的空穴濃度為空穴遷移率

q為電子電量1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

本征半導體：純凈的半導體，共價鍵結合能力很強，導電能力弱，在熱力學溫度零度時，不導電。電子和空穴濃度相等。

電阻率ρ主要決定于載流子(電子或空穴)的濃度和遷移率，二者都與溫度密切相關。本征半導體P型半導體N型半導體半導體1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

P型半導體：

在4價元素(硅、鍺)的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素(硼、鎵、銦)，組成共價鍵時，缺少一個電子，形成空穴，主要依靠空穴導電。N型半導體材料：

在4價元素(硅、鍺)的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素(磷、銻ti、砷)，組成共價鍵時，多余一個電子，形成自由電子，主要依靠電子導電。

1.遷移率與溫度的關系

q為電子電量M為載流子的有效質(zhì)量A、B為常數(shù)Ni為摻雜濃度1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

－10020010104N升高2.電阻率與溫度的關系

本征半導體：

電阻率ρ主要由本征載流子濃度決定，由于濃度隨溫度上升急劇增加，因而電阻率ρ隨溫度增加下降。雜質(zhì)半導體：

受雜質(zhì)電離和本征激發(fā)影響，電阻率ρ隨溫度的變化關系復雜。

1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

二、硅熱電阻的結構和工藝

棒狀、擴散電阻型兩種結構1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

1.電阻一溫度特性正向偏置時:55～175℃，電阻值隨溫度的升高而增大，具有較好的線性度。反向偏置時：

120℃以上時，電阻值突然下降。三、硅熱電阻的特性1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

2.

電阻溫度系數(shù)αT

1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

隨著溫度升高，αT

減小。3、硅電阻與電流的關系v不同的溫度下，當電流超過1mA時，電阻就會增大。v電流的自身熱效應使電阻增大。v工作電流應小于1mA。1.1.3半導體熱電阻溫度傳感器

電阻式溫度傳感器的應用:

（1）溫度測量（2）溫度補償電阻式溫度傳感器的應用（3）溫度控制：用熱敏電阻與一個電阻相串聯(lián)，并加上恒定的電壓，當周圍介質(zhì)溫度升到某一數(shù)值時，電路中的電流可以由十分之幾毫安突變?yōu)閹资涟?。因此可以用繼電器的繞阻代替不隨溫度變化的電阻。當溫度升高到一定值時，繼電器動作，繼電器的動作反應溫度的大小，所以熱敏電阻可用作溫度控制。（4）過熱保護電阻式溫度傳感器的應用1、熱電偶的特點

測量范圍寬、性能穩(wěn)定、準確可靠、信號可以遠傳和記錄。2、熱電偶的分類（1）熱電偶材料分：貴金屬、廉價金屬、難熔金屬和非金屬。（2）按用途和結構分：普通工業(yè)用（直形、角形和錐形）和專用（鋼水消耗、多點式和表面測溫）。1.2熱電偶1.2熱電偶熱電偶：

利用兩種不同的金屬連接在一起，當結點處溫度變化時，另兩端產(chǎn)生電勢變化的原理制成的傳感器。通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應。

五邑大學常溫下兩觸點分離。溫度升高，兩種金屬膨脹性能不同，雙金屬片形狀發(fā)生變化，使觸點接觸。溫度傳感器的應用——電熨斗雙金屬片溫度傳感器：五邑大學銅的膨脹系數(shù)大于鐵雙金屬片溫度傳感器1.2熱電偶熱電偶：

利用兩種不同的金屬連接在一起，當結點處溫度變化時，另兩端產(chǎn)生電勢變化的原理制成的傳感器。通常我們稱這種現(xiàn)象為熱電勢，這種現(xiàn)象就是熱電效應。

1.2.1熱電偶的基本原理一、熱電效應(塞貝克效應):

用兩種不同的金屬組成閉合回路，且使其兩接觸點處溫度不同，回路中就會產(chǎn)生電流。塞貝克電勢EAB(T,T0)

熱電勢率(塞貝克系數(shù))αTAB熱電效應珀爾貼效應湯姆遜效應1.2.1熱電偶的基本原理1.珀爾帖效應珀爾帖電勢(接觸電勢)同溫度、兩種金屬、自由電子密度不同、擴散K0為波爾茲曼常數(shù)q電子電量nA、nB為金屬A、B在溫度T的自由電子密度1.2.1熱電偶的基本原理

бA稱為湯姆遜系數(shù)表示溫差1℃時產(chǎn)生的電勢差2.湯姆遜電勢(溫差電勢)

均質(zhì)導體棒、兩端溫度不同、高、低溫端的自由電子動能不同、擴散1.2.1熱電偶的基本原理熱電偶回路的總熱電勢EAB1.2.1熱電偶的基本原理五邑大學傳感器原理及應用思考兩相同材料組成熱電偶時，回路電勢為多少？1.2.1熱電偶的基本原理回路總電勢為零五邑大學傳感器原理及應用思考兩結點溫度相同時，回路電勢為多少？1.2.1熱電偶的基本原理回路總電勢為零由此可得有關熱電偶的幾個結論(1)熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極，否則無論熱電偶兩端溫度如何，熱電偶回路總熱電勢為零。(2)盡管采用兩種不同的金屬，若熱電偶兩接點溫度相等，即T=T0，回路總電勢為零。(3)只有兩不同材料組成熱電偶、且T,T0不同，才有熱電勢出現(xiàn)；溫差越大，回路的總電勢也越大。（4）熱電勢只與結點溫度有關，與中間各處溫度無關。1.2.1熱電偶的基本原理當熱電偶材料一定時，熱電偶的總電勢成為溫度T和T0的函數(shù)差。即如果使冷端溫度T0固定,則對一定材料的熱電偶，其總電勢就只與溫度T成單值函數(shù)關系，即

1.2.1熱電偶的基本原理二、熱電偶的基本定律1.均質(zhì)導體定律：兩均質(zhì)金屬的熱電勢大小與熱電極的直徑、長度及沿電極長度方向上的溫度分布無關，只與熱電極材料和溫度有關。2.標準電極定律：兩種金屬的熱電勢可用它們分別與第三種金屬的熱電勢之差來表示。1.2.1熱電偶的基本原理1.2.1熱電偶的基本原理（2）標準電極定律當溫度為T、T0時，用導體A、B組成的熱電偶的熱電動勢等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動勢之代數(shù)和，即導體C稱為標準電極，故把這一定律稱為標準電極定律。3.中間導體定律

在熱電偶的參考端接入第三種均質(zhì)金屬,被插入金屬兩端溫度相同（T0），只要所插入的導體兩端溫度與參考點相同，不會影響原來熱電勢的大小,即中間導體定律。

1.2.1熱電偶的基本原理4.中間溫度定律

熱電偶的接點溫度為T、T0時，其熱電勢等于該熱電偶在接點溫度為T、Tn和Tn、T0時相應的熱電勢的代數(shù)和。1.2.1熱電偶的基本原理五邑大學傳感器原理及應用思考制作熱電偶的材料有什么要求？1.2.2熱電偶的種類和結構一、熱電極材料特性

1.熱電性質(zhì)穩(wěn)定，足夠的物理、化學穩(wěn)定性，不易氧化和腐蝕。2.熱電勢要足夠大，易于測量、單值關系、誤差小。3.電阻溫度系數(shù)小，電導率高。4.材料復制性好、機械強度高、工藝簡單，價格便宜。1.2.2熱電偶的種類和結構1.2.2熱電偶的種類和結構熱電偶標準化熱電偶非標準化熱電偶1、標準化熱電偶鉑銠－鉑熱電偶鉑銠－鉑銠熱電偶鎳鉻－鎳硅熱電偶鎳鉻－鎳鋁熱電偶鎳鉻－考銅熱電偶銅－康銅熱電偶v鉑銠－鉑熱電偶

用于較高溫度、較精密的測量、熱電勢較小。不能用于金屬蒸氣和還原性氣氛中。v鉑銠－鉑銠熱電偶

可長期測量160oC高溫，性能穩(wěn)定、精度高，適于在氧化性或中性介質(zhì)中測量，室溫下熱電勢較小，不需要參考端補償和修正。v銅－康銅熱電偶v鎳鉻－鎳硅熱電偶v鎳鉻－鎳鋁熱電偶v鎳鉻－考銅熱電偶熱電勢較大，測溫范圍小。1.2.2熱電偶的種類和結構2、非標準化熱電偶鐵－康銅熱電偶測溫上限6000C，易生銹，線性好，靈敏度高。鎢－鉬熱電偶測溫上限21000C，易氧化，加石墨保護管。鎢－錸系熱電偶

測溫上限21000C。1.2.2熱電偶的種類和結構v金屬非標準化熱電偶熱解石墨熱電偶二硅化鎢－二硅化鉬熱電偶1.2.2熱電偶的種類和結構v非金屬非標準化熱電偶復制性差，沒有統(tǒng)一的分度表，應用受到很大限制。熱電偶的結構

1、普通型熱電偶:通常都是由熱電極、絕緣材料、保護套管和接線盒等主要部分組成。

2、鎧裝熱電偶:鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體，其結構分單芯和雙芯兩種。1.2.2熱電偶的種類和結構三、熱電偶的結構

珠形絕緣子熱電偶雙孔絕緣熱電偶石棉絕緣管熱電偶

有兩個熱電極，兩個電極的一個端點緊密焊接在一起。熱電極間通常用耐高溫絕緣材料絕緣。1.2.2熱電偶的種類和結構四、熱電偶的冷端溫度補償

1.2.2熱電偶的種類和結構為什么要進行冷端溫度補償？由熱電偶的作用原理可知，熱電偶熱電動勢的大小，不僅與測量端的溫度有關，而且與冷端的溫度有關，是測量端溫度t和冷端溫度t0的函數(shù)差。四、熱電偶的冷端溫度補償

1.恒溫法將熱電偶的冷端置于恒溫器中，若恒溫器溫度調(diào)到0℃，電壓表讀數(shù)對應的溫度為實際溫度，即冷端溫度誤差得到解決。1.2.2熱電偶的種類和結構冷端恒溫示意圖

這種辦法最為妥善，然而不夠方便，所以僅限于科學實驗中應用。若恒溫器溫度為T0℃，則冷端誤差為：

T0恒定時，冷端誤差為常數(shù)，只要在回路中加入相應的修正電壓，或調(diào)整指示裝置的起始值就能實現(xiàn)完全補償。1.2.2熱電偶的種類和結構

在熱電偶和測量儀表之間接入一個電橋補償器。當熱電偶冷端溫度T升高時，回路中總電勢降低，同時補償器中RT變化，使ab間產(chǎn)生一個電位差，設計使該電位差正好補償熱電偶降低的量，實現(xiàn)自動補償。2.冷端自動補償法冷端自動補償原理圖

1.2.2熱電偶的種類和結構熱電偶常用測溫線路

1、測量某點溫度的基本電路

2、測量兩點之間溫度差的測溫電路

熱電偶的應用3、測量多點的測溫線路

多個被測溫度用多支熱電偶分別測量，但多個熱電偶共用一臺顯示儀表，它們是通過專用的切換開關來進行多點測量的。熱電偶的應用4、測量平均溫度的測溫線路:其缺點是當某一熱電偶燒斷時，不能很快地覺察出來。5、測量幾點溫度之和的測溫線路:優(yōu)點是熱電偶燒壞時可立即知道，還可獲得較大的熱電動勢。熱電偶的應用1.3半導體PN結型溫度傳感器

1.3.1PN結型溫度傳感器

一、二極管溫度傳感器

是利用PN結正向電壓與溫度關系的特性制作的。由PN結理論可知，I0為反向飽和電流，B、η與材料和工藝有關常數(shù)，qVg0為禁帶寬度。當If不變時，PN結Vf隨T的上升而下降，近似線性關系。1.3半導體PN結型溫度傳感器

二、晶體管溫度傳感器

在晶體管集電極電流恒定下，發(fā)射結的正向電壓隨溫度上升而下降。晶體管比二極管有更好的線性和互換性。1.基本原理

Vg0=Eg0/q，A為發(fā)射結面積、n與材料和工藝有關的常數(shù)，當Ic一定且T不太高時，Vbe基本與T線性關系；當溫度較高時，產(chǎn)生一定的非線性偏移。2.晶體管溫度傳感器的結構由晶體管原理知

檢測溫度時溫敏三極管必須附加外圍電路。外圍電路包括參考電壓源﹑運放﹑線性電路等部分。1.3半導體PN結型溫度傳感器

3、晶體管溫度傳感器基本電路

由運放和溫敏三極管組成，C防止寄生振蕩。T為反饋元件跨接在運放的反相輸入端和輸出端，基極接地。

T的集電極Ic僅取決于Rc和電壓E,Ic=E/Rc，與溫度無關，保證了恒流源工作條件。電壓Vbe隨T近似線性下降。1.3半導體PN結型溫度傳感器

五邑大學集成IC溫度傳感器的分類電壓型IC溫度傳感器μPC616A／C，LM135，AN670l等電流型IC溫度傳感器AD590，LM134數(shù)字輸出型IC溫度傳感器DS1B820，ETC-800等1.3半導體PN結型溫度傳感器

五邑大學電流型IC溫度傳感器把線性集成電路和與之相容的薄膜工藝元件集成在一塊芯片上,再通過激光修版微加工技術,制造出性能優(yōu)良的測溫傳感器。這種傳感器的輸出電流正比于熱力學溫度，即1μA/K；其次，因電流型輸出恒流，所以傳感器具有高輸出阻抗。其值可達10MΩ。這為遠距離傳輸深井測溫提供了一種新型器件。電壓型IC溫度傳感器將溫度傳感器基準電壓、緩沖放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故輸出電壓高、線性輸出為10mV／℃；另外,由于其具有輸出阻抗低的特性；抗干擾能力強，故不適合長線傳輸。這類IC溫度傳感器特別適合于工業(yè)現(xiàn)場測量。1.3半導體PN結型溫度傳感器

2.8

集成數(shù)字溫度傳感器2.8.2電壓型集成溫度傳感器μPC616A／C

四端電壓輸出型傳感器框圖:它由PTAT核心電路、參考電壓源和運算放大器三部分組成，其四個端子分別為U+、U-、輸入和輸出。該類型傳感器的最大工作溫度范圍是-40℃～125℃，靈敏度是10mV／K，線性偏差為0.5%～2%，長期穩(wěn)定性和重復性為0.3%，精度為±4K。1.3半導體PN結型溫度傳感器

基本應用電路1.3半導體PN結型溫度傳感器

溫度檢測電路1.3半導體PN結型溫度傳感器

電流型集成溫度傳感器AD5901、性能特點①線性電流輸出：1μA／K。②工作溫度范圍：-55℃～155℃。③兩端器件：電壓輸入,電流輸出。④激光微調(diào)使定標精度達±0.5℃。⑤整個工作溫度范圍內(nèi)非線性誤差小于±0.5℃。⑥工作電壓范圍：4V～30V。⑦器件本身與外殼絕緣。1.3半導體PN結型溫度傳感器

2、簡單應用：溫度測量和溫差測量1.3半導體PN結型溫度傳感器

多點溫度測量1.3半導體PN結型溫度傳感器

五邑大學美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820，可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供微機處理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列號，所以在一條總線上可掛接任意多個DS1820芯片。從DS1820讀出的信息或?qū)懭隓S1820的信息，僅需要一根口線（單總線接口）。讀寫及溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS1820供電，而無需額外電源。DS1820提供九位溫度讀數(shù)，構成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外圍硬件。（三）數(shù)字輸出型IC溫度傳感器1.3半導體PN結型溫度傳感器

五邑大學

１、DS1820的特性

單線接口：僅需一根口線與MCU連接；

無需外圍元件；

由總線提供電源；

測溫范圍為-55℃～125℃，精度為0.5℃；

九位溫度讀數(shù)；

A/D變換時間為200ms；

用戶可以任意設置溫度上、下限報警值，且能夠識別具體報警傳感器。

1.3半導體PN結型溫度傳感器

五邑大學DS1820123GNDI/OVDD(a)PR—35封裝

DS1820的管腳排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封裝NCNCNCNCVDDNC2、DS1820引腳及功能

GND：地；

VDD：電源電壓

I/O：數(shù)據(jù)輸入／輸出腳(單線接口，可作寄生供電)1.3半導體PN結型溫度傳感器

五邑大學

3、DS1820的工作原理

圖為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速存儲器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲用戶設定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器等七部分。存儲器控制邏輯64bitROM和單線接口電源檢測溫度傳感器高溫觸發(fā)器低溫觸發(fā)器存儲器DS1820內(nèi)部結構圖8位CRC觸發(fā)器1.3半導體PN結型溫度傳感器

五邑大學寄生電源由兩個二極管和寄生電容組成。電源檢測電路用于判定供電方式。寄生電源供電時,電源端接地，器件從總線上獲取電源。在I/O線呈低電平時，改由寄生電容上的電壓繼續(xù)向器件供電。寄生電源兩個優(yōu)點：檢測遠程溫度時無需本地電源；缺少正常電源時也能讀ROM。若采用外部電源,則通過二極管向器件供電。(1)寄生電源1.3半導體PN結型溫度傳感器

五邑大學64位ROM的結構如下：

開始8位是產(chǎn)品類型的編號（DS1820為10H），接著是每個器件的唯一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS1820可以采用一線進行通信的原因。(2)64位ROM8位自身代碼48位產(chǎn)品序列號8位CRC校驗碼五邑大學主機操作ROM的命令有五種，如表所列指

令說

明讀ROM（33H）讀DS1820的序列號匹配ROM（55H）繼讀完64位序列號的一個命令，用于多個DS1820時定位跳過ROM（CCH）此命令執(zhí)行后的存儲器操作將針對在線的所有DS1820搜ROM（F0H）識別總線上各器件的編碼，為操作各器件作好準備報警搜索（ECH）僅溫度越限的器件對此命令作出響應(2)64位ROM五邑大學由便箋式RAM和非易失性電擦寫EERAM組成，后者用于存儲TH、TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給EERAM。便箋式RAM占9個字節(jié)，包括溫度信息（第1、2字節(jié)）、TH和TL值（3、4字節(jié)）、計數(shù)寄存器（7、8字節(jié)）、CRC（第9字節(jié)）等，第5、6字節(jié)不用。暫存器的命令共6條。

(3)高速存儲器五邑大學

DS1820存貯控制命令指

令說

明溫度轉(zhuǎn)換（44H）啟動在線DS1820做溫度A/D轉(zhuǎn)換讀數(shù)據(jù)（BEH）從高速暫存器讀9bits溫度值和CRC值寫數(shù)據(jù)（4EH）將數(shù)據(jù)寫入高速存儲器的第0和第1字節(jié)中復制（48H）將高速存儲器中第2和第3字節(jié)復制到EERAM讀EERAM（B8H）將EERAM內(nèi)容寫入高速存儲器中第2和第3字節(jié)讀電源供電方式（B4H）了解DS1820的供電方式五邑大學DS1820單線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念。因此系統(tǒng)對DS1820的各種操作必須按協(xié)議進行。DS1820工作工程中的協(xié)議：初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令、處理數(shù)據(jù)。DS1820測量溫度電路框圖如圖所示。DS18B20的測溫原理內(nèi)部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數(shù)，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當?shù)竭_某一設置高溫時，振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數(shù)器設置為-55℃時的值，如果計數(shù)器到達0之前，門電路未關閉，則溫度寄存器的值將增加，這表示當前溫度高于-55℃。同時，計數(shù)器復位在當前溫度值上，電路對振蕩器的溫度系數(shù)進行補償，計數(shù)器重新開始計數(shù)直到回零。如果門電路仍然未關閉，則重復以上過程。DS18B20的測溫原理五邑大學DS1820內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號f0，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號f。當計數(shù)門打開時，DS1820對f0計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性予以補償。測量結果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應為9位（符號點1位），但因符號位擴展成高8位，故以16位補碼形式讀出，表3.4-1給出了DS1820溫度和數(shù)字量的對應關系。溫度表示值為9bit，高位為符號位。五邑大學溫度/℃輸出的二進制碼對應的十六進制碼+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820溫度與數(shù)字量對應關系表

DS1820傳感器在執(zhí)行完溫度轉(zhuǎn)換后，溫度值分別與下限溫度報警觸發(fā)寄存器（TL）及上限溫度報警觸發(fā)器（TH）進行比較，其中報警觸發(fā)寄存器TH及TL第7位（S位）為符號位，如果設定的溫度為正著S=0。如果設定的報警溫度為負著S=1。TH和TL分別存儲在高速存儲器的2、3字節(jié)上，溫度數(shù)據(jù)位的第4位到第7位與TH和TL進行比較，如果測量的溫度低于或等于TL或者測量的溫度高于TH時，DS1820內(nèi)部的報警狀態(tài)置位，并對系統(tǒng)主機發(fā)出告警搜索命令做出響應，系統(tǒng)主機利用告警搜索命令即可搜索到正在報警的器件，并讀出其產(chǎn)品號。五邑大學４溫度檢測系統(tǒng)原理

由于單線數(shù)字溫度傳感器DS1820具有在一條總線上可同時掛接多片的顯著特點，可同時測量多點的溫度，而且DS1820的連接線可以很長，抗干擾能力強，便于遠距離測量，因而得到了廣泛應用。

采用寄生電容供電的溫度檢測系統(tǒng)

89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作輸出口用，相當于TxP1.2作輸入口用，相當于Rx……五邑大學

DS1820采用了一種單線總線系統(tǒng)，即可用一根線連接主從器件，DS1820作為從屬器件，主控器件一般為微處理器。單線總線僅由一根線組成，與總線相連的器件應具有漏極開路或三態(tài)輸出，以保證有足夠負載能力驅(qū)動該總線。DS1820的I/O端是開漏輸出的，單線總線要求加一只5kΩ左右的上拉電阻。

應特別注意：當總線上DS1820掛接得比較多時，就要減小上拉電阻的阻值，否則總線拉不成高電平，讀出的數(shù)據(jù)全是0。五邑大學為保證在有效的DS1820時鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，我們用一個MOSFET管和89C51的一個I/O口（P1.0）來完成對DS1820總線的上拉。當DS1820處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10μs。采用寄生電源供電方式時VDD必須接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的，為了操作方便我們用89C51的P1.1口作發(fā)送口Tx，P1.2口作接收口Rx。此種方法可掛接DS1820數(shù)十片，距離可達到５０米，而用一個口時僅能掛接10片DS1820，距離僅為20米。每一片DSl820在其ROM中都存有其唯一的48位序列號，在出廠前已寫入片內(nèi)ROM中。主機在進入操作程序前必須用讀ROM（33H）命令將該DSl820的序列號讀出。當主機需要對眾多在線1820的某一個進行操作時，首先要發(fā)出匹配ROM命令（55H）。接著主機提供64位序列（包括該1820的48位序列號），之后的操作就是針對該DSl820的。先發(fā)送跳過搜索ROM命令，之后的操作是對所有DS1820的。多點測溫的原理基本流程程序發(fā)送跳過搜索ROM命令。發(fā)出統(tǒng)一的溫度轉(zhuǎn)換啟動碼44H，就可以啟動所有DSl820進行溫度變換。然后匹配ROM命令（55H），再逐一地讀回每個DSl820的溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)多點測溫的原理，其基本流程如圖：復位跳過搜索ROM命令發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令（44H）延時1s復位匹配1號DSl8B20（55H）讀取1號溫度復位匹配2號DSl8B20（55H）讀取2號溫度第N號多點測溫基本流程圖1.4其它溫度傳感器物體的熱輻射作用隨物體溫度變化非接觸測量熱慣性小1.4.1熱輻射溫度傳感器一、全輻射高溫計v理論基礎：斯蒂芬－玻爾茲曼定律：全部輻射能Eb=σ0T4。v方法：用絕對黑體接收被測對象發(fā)出的所有波長的全部輻射能量Eb，黑體溫升反映被測溫度

。v構成：絕對黑體：一定面積、表面粗糙并涂黑的鉑片。熱電偶測溫：鉑片接收熱量、溫度升高，鉑片溫度由熱電偶堆測出，由毫伏表或電位差計讀數(shù)。紅外線吸收體熱電偶Si3N4SiO2Si3NSi輻射溫度計的結構圖1.4其它溫度傳感器工作原理：被加熱時，物體的顏色隨溫度T改變，溫度愈高，物體愈亮。理想黑體的光譜輻射亮度用普朗克公式表示：

C1、C2為普朗克常數(shù)，λ為波長，T為絕對溫度。

二、光學高溫計1.4其它溫度傳感器精密儀表，常用于1064.43oC以上溫度的測量。

當波長一定時，物體的亮度只與溫度T有關，即單波長測量原理。

方法：利用經(jīng)過溫度刻度的鎢絲燈發(fā)出的單色亮度和被測物體的單色輻射亮度