溫度傳感器工作原理

1、接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器溫度傳感器這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的核心部分，品種繁 多。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。按照溫度傳感器輸出信號的模式，可大致劃分為三大類：數(shù)字式溫度傳感 器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。進入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、開虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片 測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實

2、現(xiàn)了標準化、可作為從 機可通過專用總線接口與主機進行通信。溫度傳感器-接觸式溫度傳感器接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計溫度計通過傳導或?qū)α鬟_到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般 測量精度較高。在一定的測溫范圍內(nèi)，溫度計也可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動體、 小目標或熱容量很小的對象則會產(chǎn)生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃 液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業(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。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

3、等部門的廣泛應用 超導技術(shù)的研究，測量 120K以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計 順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積 小、準確度高、復現(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 是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6300K范圍內(nèi)的溫度。溫度傳感器-非接觸式溫度傳感器它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動物體、 小目標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光電SI湖比色計的原理帖物圖A甲行耶M琦昭甘；妙洋旨曜；

4、 SBfilfft/弟惟；的弁丑JB： 7.卜酒帝；8.14獨光電榛;12-Uffii 3-5| 詢搏詢肇電叭1A”讒電酸機；-源大暮溫度傳感器度分布。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。輻射測 溫法包括亮度法（見光學高溫計）、輻射法（見輻射高溫計）和比色法（見比色溫度計）。 各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、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）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材 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，因此很難精確測量。在自動化生

5、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)射率的測量是相當困難的。對于 固體表面溫度自動測量和控制，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)射系數(shù)。利用有效發(fā)射系數(shù)通過儀表對實 測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。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)成式中為材料表面發(fā)射率，0為反射鏡的反射率。至于氣體和 液體

6、介質(zhì)真實溫度的輻射測量，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。通過計算求出與介質(zhì)達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動測量和控制中就 可以用此值對所測腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進行修正而得到介質(zhì)的真實溫度。非接觸測溫優(yōu)點：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 r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展，700C以下直至常溫都已采用，且分辨率很高。溫度傳感器-熱電偶工作原理 當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的 溫度不同，一端溫度為T，稱

7、為工作端或熱端，另一端溫度為TO,稱為自由端（也稱參考端） 或冷端，則回路中就有電流產(chǎn)生，如圖2-1（a）所示，即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢。 這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為塞貝克效應。與塞貝克有關的效應有兩個:其一， 當有電流流過兩個不同導體的連接處時，Metal A eMetal B削心熱電偶原理圖此處便吸收或放出熱量（取決于電流的方向），稱為珀爾帖效應；其二，當有電流流過存在溫 度梯度的導體時，導體吸收或放出熱量（取決于電流相對于溫度梯度的方向），稱為湯姆遜效 應。兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢EAB（T，T0）是由接觸電勢 和溫差電勢合成的。接觸電勢是

8、指兩種不同的導體或半導體在接觸處產(chǎn)生的電勢，此電勢與 兩種導體或半導體的性質(zhì)及在接觸點的溫度有關。溫差電勢是指同一導體或半導體在溫度不 同的兩端產(chǎn)生的電勢，此電勢只與導體或半導體的性質(zhì)和兩端的溫度有關，而與導體的長度、 截面大小、沿其長度方向的溫度分布無關。無論接觸電勢或溫差電勢都是由于集中于接觸處 端點的電子數(shù)不同而產(chǎn)生的電勢，熱電偶測量的熱電勢是二者的合成。當回路斷開時，在斷 開處a，b之間便有一電動勢差 V，其極性和大小與回路中的熱電勢一致，如圖2-1（b）所 示。并規(guī)定在冷端，當電流由A流向B時，稱A為正極，B為負極。實驗表明，當AV很 小時，AV與AT成正比關系。定義AV對AT的微分

9、熱電勢為熱電勢率，又稱塞貝克系數(shù)。 塞貝克系數(shù)的符號和大小取決于組成熱電偶的兩種導體的熱電特性和結(jié)點的溫度差。種類目前，國際電工委員會（IEC）推薦了 8種類型的熱電偶作為標準化熱電偶，即為T型、E 型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。溫度傳感器-熱電阻材料特性導體的電阻值隨溫度變化而改變，通過測量其阻值推算出被測物體的溫度，利用此原理構(gòu)成 的傳感器就是電阻溫度傳感器，這種傳感器主要用于-200 500 C溫度范圍內(nèi)的溫度測量。 純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應具有以下特性：電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應具有良好的線性關系。電阻率高，熱容量小，反應速度快。材料的復

10、現(xiàn)性和工藝性好，價格低。a 0 -aoo fr IOO4005MO 52 L 電阻辜熱敏電阻溫度特性在測溫范圍內(nèi)化學物理特性穩(wěn)定。目前，在工業(yè)中應用最廣的伯和銅，并已制作成標準測溫熱電阻。鉗電阻伯電阻與溫度之間的關系接近于線性(如右圖)，在0630.74C范圍內(nèi)可用下式表示Rt = R0(1+At+Bt2)在-1900C范圍內(nèi)為 Rt=R0(1+At+Bt2 十 Ct3)。式中：RO、Rt為溫度0吸卜時伯電阻的電阻值，t為任意溫度，A、B、C為溫度系數(shù)，由 實驗確定，A=3.9684x10-3/C，B = -5.847x10-7/C2, C=-4.22x10-l2/C3。由公式可看 出，當R0

11、值不同時，在同樣溫度下，其Rt值也不同。銅電阻在測溫精度要求不高，且測溫范圍比較小的情況下，可采用銅電阻做成熱電阻材料代替伯電 阻。在-50150C的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度成線性關系，其電阻與溫度關系的表達式 為Rt=R0(1+At)(2-3)式中，A=4.25x10-34.28x10-3C為銅電阻的溫度系數(shù)。溫度傳感器-模擬溫度傳感器傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監(jiān)控，在一些溫度范圍內(nèi) 線性不好，需要進行冷端補償或引線補償；熱慣性大，響應時間慢。集成模擬溫度傳感器與 之相比，具有靈敏度高、線性度好、響應速度快等優(yōu)點，而且它還將驅(qū)動電路、信號處理電 路以及必要的邏

12、輯控制電路集成在單片IC上，有實際尺寸小、使用方便等優(yōu)點。常見的模 擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。 這里主要介紹該類器件的幾個典型。AD590溫度傳感器AD590AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為330V，輸出電流 223pA (-50C) 423pA (+150C)，靈敏度為1pA/C。當在電路中串接采樣電阻R時， R兩端的電壓可作為喻出電壓。注意R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低 于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達 20MQ，

13、所以它不必考慮選擇開關或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。適 用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。LM135/235/335溫度傳感器LM135/235/335系列是美國國家半導體公司(NS)生產(chǎn)的一種高精度易校正的集成溫度傳 感器，工作特性類似于齊納穩(wěn)壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K，具有小于1Q的動態(tài)阻 抗，工作電流范圍從400pA到5mA，精度為1C，LM135的溫度范圍為-55C+150C，L M235 的溫度范圍為-40C+125C，LM335 為-40C+100C。封裝形式有 TO-46、TO-92、 SO-8。該系列器件廣泛應用于溫度測量、溫差測量以及溫度補償

14、系統(tǒng)中。溫度傳感器-邏輯輸出型溫度傳感器在許多應用中，我們并不需要嚴格測量溫度值，只關心溫度是否超出了一個設定范圍，一旦 溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動或關閉風扇、空調(diào)、加熱器或其它控制設備， 此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典 型代表。LM56溫度開關LM56是NS公司生產(chǎn)的高精度低壓溫度開關，內(nèi)置1.25V參考電壓輸出端。最大只能帶5 0pA的負載。電源電壓從2.710V，工作電流最大230pA，內(nèi)置傳感器的靈敏度為6.2mV/C, 傳感器輸出電壓為6.2mV/CxT+395mV。MAX6501/02/03/

15、04溫度監(jiān)控開關MAX6501/02/03/04是具有邏輯輸出和SOT-23封裝的溫度監(jiān)視器件開關，它的設計非常簡單：用戶選擇一種接近于自己需要的控制的溫度門限（由廠方預設在 -45C到+115C，預設值間隔為10C）。直接將其接入電路即可使用，無需任何外部元件。 其中MAX6501/MAX6503為漏極開路低電平報警輸出，MAX6502/MAX6504為推/拉式高 電平報警輸出，MAX6501/MAX6503提供熱溫度預置門限（35C到+115C），當溫度高于 預置門限時報警；MAX6502/MAX6504提供冷溫度預置門限（-45C到+15C），當溫度低 于預置門限時報警。對于需要一個簡單

16、的溫度超限報警而又空間有限的應用如筆記本電腦 蜂窩移動電話等應用來說是非常理想的，該器件的典型溫度誤差是0.5C，最大士4C，滯回 溫度可通過引腳選擇為2C或10C，以避免溫度接近門限值時輸出不穩(wěn)定。這類器件的工 作電壓范圍為2.7V到5.5V，典型工作電流30pAo溫度傳感器-數(shù)字式溫度傳感器輸出為占空比的數(shù)字溫度傳感器SMT16030是荷蘭Smartec公司采用硅工藝生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，其采用PTAT結(jié)構(gòu)， 這種半導體結(jié)構(gòu)具有精確的，與溫度相關的良好輸出特性。PTAT的輸出通過占空比比較器 調(diào)制成數(shù)字信號，占空比DC=0.32+0.0047*t，t為攝氏度。輸出數(shù)字信號故與微處理器MC

17、 U兼容，通過處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號的占空比，即可得到溫度。該款溫 度傳感器因其特殊工藝，還具有分辨率極高的特點，可達到0.005K。測量溫度范圍-45到1 30 C，故適用于高精度的應用。MAX6575/76/77數(shù)字溫度傳感器如果采用數(shù)字式接口的溫度傳感器，上述設計問題將得到簡化。同樣，當A/D和微處理器 的I/O管腳短缺時，采用時間或頻率輸出的溫度傳感器也能解決上述測量問題。以MAX65 75/76/77系列SOT-23封裝的溫度傳感器為例，這類器件可通過單線和微處理器進行溫度 數(shù)據(jù)的傳送，提供三種靈活的輸出方式-頻率、周期或定時，并具備0.8C的典型精度，一 條線最多允

18、許掛接8個傳感器，150pA典型電源電流和2.7V到5.5V的寬電源電壓范圍及- 45C到+125C的溫度范圍。它輸出的方波信號具有正比于絕對溫度的周期，采用6腳SOT -23封裝，僅占很小的板面。該器件通過一條I/O與微處理器相連，利用微處理器內(nèi)部的計 數(shù)器測出周期后就可計算出溫度?？啥帱c檢測、直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器DS1612是美國達拉斯半導體公司生產(chǎn)的CMOS數(shù)字式溫度傳感器。內(nèi)含兩個不揮發(fā)性存 儲器，可以在存儲器中任意的設定上限和下限溫度值進行恒溫器的溫度控制，由于這些存儲 器具有不揮發(fā)性，因此一次定入后，即使不用CPU也仍然可以獨立使用。DS1612傳感器溫度測量原 理和精度

19、：在芯片上分別設置了一個振蕩頻率溫度系數(shù)較大的振蕩器（OSC1）和一個溫度 系數(shù)較小的振蕩器（OSC2）。在溫度較低時，由于OSC2的開門時間較短，因此溫度測量 計數(shù)器計數(shù)值（n）較小；而當溫度較高時，由于OSC2的開門時間較長，其計數(shù)值（m） 增大。如果在上述計數(shù)值基礎上再加上一個同實際溫度相差的校正數(shù)據(jù)，就可以構(gòu)成一個高 精度的數(shù)字溫度傳感器。該公司將這個校正值定入芯片中的不揮發(fā)存儲器中，這樣傳感器輸 出的數(shù)字量就可以作為實際測量的溫度數(shù)據(jù)，而不需要再進行校準。它可測量的溫度范圍為 -55C+125C，在0C+70C范圍內(nèi)，測量精度為0.5C，輸出的9位編碼直接與溫度相 對應。DS1621同外部電路的控制信號和數(shù)據(jù)的通信是通過雙向總線來實現(xiàn)的，由CPU生 成串行時鐘脈沖（SCL），SDA是雙向數(shù)據(jù)線。通過地址引腳A0、A1、A2將8個不同的 地址分配給各器件。通過設定寄存器來設置工作方式，并對工作狀態(tài)進行監(jiān)控。被測的溫度 數(shù)據(jù)被存儲在溫度傳感器寄存器中，高溫（TH）和低溫（TL）閾值寄存器存儲了恒溫器輸 出（Tout）的閾值?，F(xiàn)在，各種集成的溫度傳感器的功能越來越專業(yè)化。比如，MAXIM公 司近期推出的MAX1619是一種增強型精密遠端數(shù)字溫度傳感器，