幾種常用溫度傳感器的原理及發(fā)展

1、引言科學(xué)技術(shù)離不開(kāi)測(cè)量。測(cè)量的目的就是要獲得被測(cè)對(duì)象的有關(guān)物理或化學(xué)性質(zhì)的信息，以便根據(jù)這些信息對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)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(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生等領(lǐng)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(jīng)歷了以下3個(gè)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(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。模擬集成溫度傳感器/控制器;智能溫度傳感器。目前，國(guó)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(luò)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(cè)的參數(shù)分，另

2、一種是按變換原理來(lái)分。通常按被測(cè)的參數(shù)來(lái)分類，可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機(jī)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(cè)介質(zhì)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(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象要有良好的熱接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡，這時(shí)的示值即為被測(cè)對(duì)象的溫度。這種測(cè)溫方法精度比較高，并在一定程度上還可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的、或?qū)Ω袦卦懈g作用的對(duì)象，這種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測(cè)

3、溫的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交換原理。此種測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)是可測(cè)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(duì)象，也可測(cè)溫度場(chǎng)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(cè)量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精確度;測(cè)量范圍廣，可從-50C-1600C進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，特殊的熱電偶如金鐵-鎳鉻，最低可測(cè)到-269C,鎢-錸最高可達(dá)2800C。熱電偶傳感器主要按照熱電效應(yīng)來(lái)工作。將兩種不同的導(dǎo)體A和B連接起來(lái)，組成一個(gè)閉合回路，即構(gòu)成感溫元件，如圖1所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩

4、個(gè)接點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，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(yīng)，也叫溫差電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)進(jìn)行工作的。熱電偶的一端是將A、B兩種導(dǎo)體焊接在一起，稱為工作端，置于溫度為t的被測(cè)介質(zhì)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(dāng)工作端的被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，熱電勢(shì)隨之發(fā)生變化，將熱電勢(shì)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，即可得到溫度值。熱電偶兩端的熱電勢(shì)差可以用下式表示:Et=E(t)-E(t0)式中：Et熱電偶的熱電勢(shì)E(t)溫度為t時(shí)的熱電勢(shì)E(t0)溫度為t0時(shí)的熱電勢(shì)當(dāng)參比端的溫度to恒定時(shí)，熱電勢(shì)只于工作端的溫度有關(guān)，即Et=f(t)

5、。當(dāng)組成熱電偶的熱電極的材料均勻時(shí)，其熱電勢(shì)的大小與熱電極本身的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與熱電極的成分及兩端的溫度有關(guān)。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(dǎo)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(jì)80年代問(wèn)世的，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一(僅測(cè)量溫度)、測(cè)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(cè)溫、控測(cè)，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。目前在國(guó)內(nèi)外仍普遍應(yīng)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(cè)電路、溫度補(bǔ)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(cè)電路是利用晶體管對(duì)兩個(gè)發(fā)射極的電流密度差產(chǎn)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(cè)及溫度補(bǔ)償電路圖。圖2中，T1-T5為檢測(cè)電路，T8-T11及RC組成的電路產(chǎn)生正比其絕對(duì)溫度的電流，該電流通過(guò)T12和T13注入T7,即可獲得對(duì)應(yīng)于注入電流的補(bǔ)償溫度。RC為外接電阻，使傳感器的校準(zhǔn)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(jì)90年代中期問(wèn)世的。

7、它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前，國(guó)際上已開(kāi)發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)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)。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU);并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化和諧也取決于軟件的開(kāi)發(fā)水平。智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢(shì)21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片

8、測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。提高測(cè)溫精度和分辨力21世紀(jì)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(zhuǎn)換器，其測(cè)溫精度較低，分辨力只能達(dá)到1C。目前，國(guó)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(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)0.50.0625C。由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)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(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.03125C，測(cè)溫精度為土0.2C。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間

9、分別僅為27ps、9ps。增加測(cè)試功能溫度傳感器的測(cè)試功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)多路溫度測(cè)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(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作非常簡(jiǎn)便。對(duì)某些智能溫度傳感器而言，主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過(guò)相應(yīng)的寄存器來(lái)設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率(典型產(chǎn)品為MAX6654)，

10、分辨力及最大轉(zhuǎn)換時(shí)間(典型產(chǎn)品為DS1624)?？偩€技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)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(jī)可通過(guò)專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信?？煽啃约鞍踩栽O(shè)計(jì)D轉(zhuǎn)換器大多采用積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)換技術(shù)，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(zhuǎn)換器不僅能濾除量化噪聲，而且對(duì)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(diào)電壓及零點(diǎn)漂移都不會(huì)影響溫度的轉(zhuǎn)換精度。這種智能

11、溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。為了避免在溫控系統(tǒng)受到噪聲干擾時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作，在AD7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內(nèi)部，都設(shè)置了一個(gè)可編程的“故障排隊(duì)（faultqueue）”計(jì)數(shù)器，專用于設(shè)定允許被測(cè)溫度值超過(guò)上、下限的次數(shù)。僅當(dāng)被測(cè)溫度連續(xù)超過(guò)上限或低于下限的次數(shù)達(dá)到或超過(guò)所設(shè)定的次數(shù)n（n=l4）時(shí)，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(jì)數(shù)器就復(fù)位而不會(huì)觸發(fā)中斷端。這意味著假定n=3時(shí)，那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾，都不會(huì)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(shè)計(jì)一個(gè)符合ACPI（AdvancedConfigurationandPowerInterface,即“先進(jìn)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(guò)熱保護(hù)功能，可用來(lái)監(jiān)控筆記本電腦和服務(wù)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(tái)式計(jì)算機(jī)一般為75C，高檔筆記本電腦的專用CPU可達(dá)100C。一旦CPU或主電路的溫度超出所設(shè)定的上、下限時(shí)，INT端立即使主機(jī)產(chǎn)生中斷，再通過(guò)電源控制器發(fā)出信號(hào)，迅速將主電源關(guān)斷起到保護(hù)作用。此外，當(dāng)溫度超過(guò)CPU的極限溫度時(shí)，嚴(yán)重超溫報(bào)警輸出端（T_CRIT_A）也能直接關(guān)斷主電源，并且該端還可通

13、過(guò)獨(dú)立的硬件判斷電路來(lái)切斷主電源，以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護(hù)措施已成為國(guó)際上設(shè)計(jì)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(hù)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(dāng)人體放電時(shí)，TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號(hào)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(kāi)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(cè)功能，能自動(dòng)檢測(cè)外部晶體管溫度傳感器（亦

14、稱遠(yuǎn)程傳感器）的開(kāi)路或短路故障。MAX6654還具有選擇“寄存阻抗抵消”（ParasiticResistanceCancellation，英文縮寫(xiě)為PRC）模式，能抵消遠(yuǎn)程傳感器引線阻抗所引起的測(cè)溫誤差，即使引線阻抗達(dá)到100Q，也不會(huì)影響測(cè)量精度。遠(yuǎn)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(luò)溫度傳感器虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計(jì)算機(jī)平臺(tái)、并通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標(biāo)定及校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。最近，病因B&K公司已開(kāi)發(fā)出一種基于軟件設(shè)置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn)是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號(hào)并且附帶一張軟盤(pán)，軟盤(pán)上存儲(chǔ)著對(duì)該傳感器進(jìn)

15、行標(biāo)定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)采集器接至計(jì)算機(jī)，首先從計(jì)算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號(hào)，再?gòu)能洷P(pán)上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)完成對(duì)傳感器的檢查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。結(jié)束語(yǔ)隨著工業(yè)生產(chǎn)效率的不斷提高，自動(dòng)化水平與范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)溫度傳感器的要求也越來(lái)越高，歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面:l擴(kuò)展測(cè)溫范圍：目前工業(yè)常用的測(cè)溫范圍為-200C-3000C，隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)超高溫、超低溫的測(cè)量要求越來(lái)越迫切，如在宇宙火箭技術(shù)中常常需要測(cè)量幾千度的高溫。l提高測(cè)量精度：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)處理儀表的精度有了很大的提高，特別是微型計(jì)算機(jī)的使用使得對(duì)信號(hào)的處理精度更加提高。l擴(kuò)大測(cè)溫對(duì)象：隨著工業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钜蟮奶岣?，現(xiàn)在已由點(diǎn)測(cè)量發(fā)展到線、面測(cè)量。在環(huán)境保護(hù)、家用電器上都需要各種各樣的測(cè)溫儀表。