第11章溫度傳感器

1、主要內容：主要內容： 概述概述概述概述 根據(jù)所用測溫物質根據(jù)所用測溫物質的不同和測溫范圍不的不同和測溫范圍不同，有煤油溫度計、同，有煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差溫電阻溫度計、溫差溫度計、輻射溫度計、度計、輻射溫度計、光測溫度計等等。光測溫度計等等。 溫度傳感器的種類很多，按價格和性能可分為：溫度傳感器的種類很多，按價格和性能可分為： 熱膨脹熱膨脹溫度傳感器，有液體、氣體的玻璃式溫溫度傳感器，有液體、氣體的玻璃式溫度度 計、計、 體溫計，結構簡單，應用較廣泛；體溫計，結構簡單，應用較廣泛； 家電、汽車家電、汽車上使用的溫度傳

2、感器，價格便宜、上使用的溫度傳感器，價格便宜、用用 量大、成本低、性能差別不大；量大、成本低、性能差別不大； 工業(yè)工業(yè)上使用的溫度傳感器，性能價格差別比較上使用的溫度傳感器，性能價格差別比較大，大， 因為傳感器的精度直接關系到產(chǎn)品質量和控制因為傳感器的精度直接關系到產(chǎn)品質量和控制 過程，通常價格比較昂貴。過程，通常價格比較昂貴。 概述概述概述概述各種熱電偶各種熱電偶概述概述各種熱電阻各種熱電阻概述概述()lnAA BBNK TETeN 冷端冷端接觸電勢接觸電勢：00()lnAA BBK TNETeN、式中：式中： A A、B B 代表不同材料；代表不同材料； T T，T0 T0 為兩端溫度；為

3、兩端溫度； K波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)； e電子電荷量；電子電荷量； BNAN是是A A、B B材料的電子濃度；材料的電子濃度；0lnAABBNKETTeN 對對單一金屬單一金屬如果兩邊溫度不同，兩端有溫度梯度，如果兩邊溫度不同，兩端有溫度梯度， 兩端也產(chǎn)生溫差電動勢；兩端也產(chǎn)生溫差電動勢； 產(chǎn)生這個電勢是由于導體內自由電子在高溫端具產(chǎn)生這個電勢是由于導體內自由電子在高溫端具 有較大的動能，會向低溫端擴散。由于高溫端失有較大的動能，會向低溫端擴散。由于高溫端失 去電子帶正電，低溫端得到電子帶負電。去電子帶正電，低溫端得到電子帶負電。 ( 2 ) 單一導體的溫差電勢（湯姆遜電勢）單一導體的溫差

4、電勢（湯姆遜電勢） A A、B B 兩導體構成閉合回路總的溫差電勢為兩導體構成閉合回路總的溫差電勢為：000,()TABABTeT TeT TdT 00,TBBTeTTtd T單一導體的溫差電勢為：單一導體的溫差電勢為：000,()TABABABABTET TETETdT根據(jù)兩導體的接觸電勢和單一導體溫差電勢根據(jù)兩導體的接觸電勢和單一導體溫差電勢 熱電偶總的熱電勢為：熱電偶總的熱電勢為：式中：式中： 是澤貝克系數(shù)，是澤貝克系數(shù)， 是溫度和位置的函數(shù)。是溫度和位置的函數(shù)。AB 00,TAATeTTtd T000,ln()TAA BABTBNKETTTTd TeNv熱電偶總的熱電勢為：熱電偶總的熱

5、電勢為：000,A B CA BB CC AET TETETET：0TT設設 00ABCET 000BCCAABETETET代入上式有：代入上式有： 000,ABCABABABET TETETET T 000,ABCABABABET TETETET TT測量儀器測量儀器,ABCET T與與 0,ABCET T的代數(shù)和，即：的代數(shù)和，即：0,0,ABABCABCET TET TETT 實際測量時，利用這一性實際測量時，利用這一性 質，對參考端溫度不為零質，對參考端溫度不為零 度時的熱電勢以及冷端延度時的熱電勢以及冷端延 伸引線進行修正和補償。伸引線進行修正和補償。(2) v 熱電偶可以測量上千度

6、高溫，并且精度高、熱電偶可以測量上千度高溫，并且精度高、 性能好，這是其它溫度傳感器無法替代的。性能好，這是其它溫度傳感器無法替代的。 普通熱電偶，測量氣體、蒸汽、液體等，棒形結構；普通熱電偶，測量氣體、蒸汽、液體等，棒形結構； 薄膜熱電偶，用于火箭、飛機噴嘴溫度測量，結構較??；薄膜熱電偶，用于火箭、飛機噴嘴溫度測量，結構較?。?鎧裝熱電偶，用以測量狹小對象，結構細長、可彎曲；鎧裝熱電偶，用以測量狹小對象，結構細長、可彎曲； 表面熱電偶，用于弧形表面物體測溫；表面熱電偶，用于弧形表面物體測溫； 消耗式熱電偶，主要用于鋼水溫度測量。消耗式熱電偶，主要用于鋼水溫度測量。a)a)普通熱電偶普通熱電偶

7、 b)b)薄膜熱電偶薄膜熱電偶 c)c)鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶00, 0, 0A BA BA BEtEt tEt更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 0R應用應用更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 0R應用應用貼片式貼片式薄膜式薄膜式 大功率大功率 更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ -200-200OO +0+0850850 2301100tRRAtBtCtt201tRRAtBt式中：式中： 0RtR為溫度為溫度 00 C和和 0tC時的電阻值，時的電阻值，A、B、C 為常數(shù)；

8、為常數(shù)；ITS90中中 常數(shù)規(guī)定見常數(shù)規(guī)定見P229。更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 分度號分別為：分度號分別為： Pt10 Pt100,見分度表見分度表0010100RR為為 的的公稱值，公稱值，00 C0R0R目前我國規(guī)定工業(yè)用目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有兩種鉑熱電阻有兩種：更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 熱敏電阻符號熱敏電阻符號 更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ PTC PTC 正溫度

9、系數(shù)型；正溫度系數(shù)型； NTC NTC 負溫度系數(shù)型負溫度系數(shù)型；負溫度系數(shù)型熱敏電阻特性曲線負溫度系數(shù)型熱敏電阻特性曲線 1 expTBRA TTTRA A ， 與材料和形狀有關；與材料和形狀有關；B B ， 常數(shù)；常數(shù)；， 溫度為溫度為T T時的電阻值；時的電阻值； 更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 0R 圖是一恒溫控制電路，圖是一恒溫控制電路，RtRt為為熱敏電阻，熱敏電阻，A A為比較器，當環(huán)境為比較器，當環(huán)境溫度達到溫度達到TT時，輸出信號實現(xiàn)時，輸出信號實現(xiàn)自動調溫

10、控制。自動調溫控制。 同相端輸入有同相端輸入有RP1RP1、R2R2、R3R3分壓確定作比較電平，分壓確定作比較電平，RPRP可調可調節(jié)比較器的比較電平，從而調節(jié)比較器的比較電平，從而調節(jié)所需控制溫度。節(jié)所需控制溫度。熱敏電阻的恒溫控制電路熱敏電阻的恒溫控制電路更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 目前國內外應用最普遍的集成溫度傳感目前國內外應用最普遍的集成溫度傳感器是：器是：AD590AD590、AD592AD592、TMP17TMP17、LM135LM135等，等，是上世紀是上世紀8080年代問世的，可以完成溫度測年代問世的，可以完成溫度測量及模擬信號

11、輸出的專用量及模擬信號輸出的專用ICIC； 模擬集成溫控模塊，模擬集成溫控模塊，LM56LM56、AD22105AD22105等，等，是可編程的溫控開關模塊；是可編程的溫控開關模塊； 智能溫度傳感器、溫控器將智能溫度傳感器、溫控器將A/DA/D轉換電路，轉換電路，ROMROM存儲器集成在一個芯片上，自存儲器集成在一個芯片上，自9090年代問年代問世以來，被廣泛應用于自動控制系統(tǒng)，世以來，被廣泛應用于自動控制系統(tǒng)，更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 集成溫度傳感器利用集成溫度傳感器利用PNPN結的電流、電壓結的電流、電壓特性與溫度的關系測量溫度，由于特性與

12、溫度的關系測量溫度，由于PNPN結受結受耐熱性能的限制，一般測量溫度范圍在耐熱性能的限制，一般測量溫度范圍在150150以下以下。 集成溫度傳感器把熱敏晶體管和外圍電集成溫度傳感器把熱敏晶體管和外圍電路、放大器、偏置電路及線性電路制作在路、放大器、偏置電路及線性電路制作在同一芯片上，構成一體化的專用集成器件；同一芯片上，構成一體化的專用集成器件； 特點：特點： 集成溫度傳感器具有體積小、反集成溫度傳感器具有體積小、反應快、線性好、價格低等優(yōu)點。應快、線性好、價格低等優(yōu)點。更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ PNPN結伏安特性方程：結伏安特性方程：/1Tu

13、usIIeIs 反向飽和電流；U 外加電壓；UT =KT/q 溫度電壓當量t =300k(室溫）, UT 26mv 目前集成溫度傳感器多采用目前集成溫度傳感器多采用差分對管差分對管作為敏感元件，作為敏感元件，利用發(fā)射極電流密度在恒定比率下工作的晶體管對的，利用發(fā)射極電流密度在恒定比率下工作的晶體管對的，基極基極發(fā)射極之間電壓發(fā)射極之間電壓V VBEBE的差與溫度呈線性關系。的差與溫度呈線性關系。 PNPN結加正向電壓時結加正向電壓時 PN PN結加反向電壓時結加反向電壓時/,1,TTuuuuTsuueII e?/,1,TuuTsuueII =q （PTATPTAT）絕對溫度比例電路）絕對溫度比

14、例電路 Proportiond to absolute temperatureProportiond to absolute temperature 集成溫度傳感器集成溫度傳感器（PTATPTAT）基本電路原理圖基本電路原理圖 絕對溫度比例電路由絕對溫度比例電路由V1V1、V2V2兩兩只互相匹配、性能完全相同的溫只互相匹配、性能完全相同的溫敏晶體管構成；敏晶體管構成； 集電極電流分別為集電極電流分別為I1I1、I2I2是由是由恒流源（晶體管）提供；恒流源（晶體管）提供； 電阻電阻R R上的電壓上的電壓VbeVbe是兩個晶是兩個晶體管發(fā)射極和基極之間電壓差。體管發(fā)射極和基極之間電壓差。R R更多

15、汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 晶體管伏安方程式：晶體管伏安方程式：01122lnCBEBEBECK TIVVVqI式中：式中：K K 波爾滋蔓常數(shù)；波爾滋蔓常數(shù)； T T 絕對溫度絕對溫度; ; 電子電荷量；電子電荷量； V1 V1、V2V2發(fā)射極面積比。發(fā)射極面積比。 q 正比于絕對溫度正比于絕對溫度 T T，只要保證，只要保證 恒定，恒定，就可以使就可以使 與與 溫度溫度 T T 為單值函數(shù)。為單值函數(shù)。 BEVBEV12/II/T=KT/q Tu usPNII e結加正向電壓，溫度電壓當量u更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費

16、下載 http:/ 由方程式可見：由方程式可見：01122lnCB EB EB ECKTIVVVqIBEVBEV1212/CCCCIIJJ因為集電極因為集電極電流比電流比等于集電極等于集電極電流密度比電流密度比，那么只要保證兩只晶體管的集電極電流密度比不變，那么只要保證兩只晶體管的集電極電流密度比不變，電阻電阻R R上的電壓上的電壓 就可以正比于熱力學溫度就可以正比于熱力學溫度T T。電路的核心是使兩只管子的集電極電流密度之比不電路的核心是使兩只管子的集電極電流密度之比不隨溫度變化，實際制作時，特意將隨溫度變化，實際制作時，特意將T1T1、T2T2發(fā)射結面發(fā)射結面積作的不相等，面積比為積作的不

17、相等，面積比為，電阻，電阻R R上的電壓差上的電壓差 取決與發(fā)射結面積比取決與發(fā)射結面積比。更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 022lnB EVK TInRq R12012222CCCCCBECIIIIIIVRI VT2 VT2的發(fā)射極設計成條形，的發(fā)射極設計成條形，VT1VT1用同樣條用同樣條形并聯(lián)，可嚴格控制結的面積，兩管面積比形并聯(lián)，可嚴格控制結的面積，兩管面積比變?yōu)楹唵蔚臈l數(shù)比，電路輸出總電流為：變?yōu)楹唵蔚臈l數(shù)比，電路輸出總電流為：VT1VT1面積面積VT2VT2面積面積電路輸出總電流與溫度系數(shù)有關，與電流無關電路輸出總電流與溫度系數(shù)有關，與電

18、流無關面積比面積比n n大小決定靈敏度大小。大小決定靈敏度大小。0ln( )BEK TVnq更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 電壓輸出型電路電壓輸出型電路0lnBEK TVq01ln1RK TIqR電路輸出為：電路輸出為： 0201lnK TRURqv 可見輸出電壓可見輸出電壓U0U0與絕對溫度與絕對溫度T T成正比關系成正比關系BEV更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 1222lnBETVTKIIRqR若若R=358R=358，電路輸出溫度系數(shù)為：，電路輸出溫度系數(shù)為： 2ln1/TTdIKCAKdTqR電流輸

19、出型電路電流輸出型電路更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 典型器件典型器件AD590AD590電流輸出型典型集成電流輸出型典型集成溫度傳感器有溫度傳感器有AD590AD590（美國（美國ADAD公司生產(chǎn)），公司生產(chǎn)），國內同類產(chǎn)品國內同類產(chǎn)品SG590SG590。AD590 引腳和內部電路原理圖測溫范圍測溫范圍-50-50+150+150；器件電源電壓器件電源電壓4 430V30V；小于小于3V3V時靈敏度隨外加電壓增加時靈敏度隨外加電壓增加而增加，所以電源必須大于而增加，所以電源必須大于4V4V。+ +- -1+1+2-2-3GND3GNDAD590封

20、裝V VI/AI/A12341234+150+150+25+25-55-55更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ AD590AD590在攝氏溫度在攝氏溫度2525（298.2K298.2K）時，）時， 理想輸出為理想輸出為298.2A298.2A，實際存在誤差；，實際存在誤差； 下圖中可通過電位器調整，使輸出下圖中可通過電位器調整，使輸出 電壓滿足電壓滿足1mV/K 1mV/K 的關系。的關系。AD590 AD590 定標方法定標方法AD590AD590100100950950 一點校正法一點校正法，僅對某點溫度進行，僅對某點溫度進行校準校準AD590AD

21、590在在2525時，輸出電流并時，輸出電流并非非298.2A298.2A時，調節(jié)時，調節(jié)RPRP電阻，使輸電阻，使輸出值為出值為298.2mV298.2mV。更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ AD590 典型應用 控溫電路T V3 V3V2時比較器輸出？ 兩點校正法兩點校正法，先對，先對AD590AD590在在00溫度時調節(jié)溫度時調節(jié)R1R1使輸出使輸出VOUT=0VOUT=0；再將再將AD590AD590置于置于100100溫度，調節(jié)溫度，調節(jié)R2R2使使VOUT=10VVOUT=10V，使輸出電壓溫度，使輸出電壓溫度系數(shù)值為系數(shù)值為100mV/

22、100mV/ 。兩點校正法兩點校正法更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ AD590 AD590 典型應用典型應用測量攝氏溫度電路測量兩點溫差電路更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ AD590 AD590 典型應用典型應用更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 基于基于1-WIRE1-WIRE總線的總線的DB18B20DB18B20型智能溫度傳感器型智能溫度傳感器DBDB18B2018B20引腳、封裝引腳、封裝智能傳感器的總線技術已實智能傳感器的總線技術已實現(xiàn)標準化、規(guī)范化；傳感器

23、現(xiàn)標準化、規(guī)范化；傳感器作為從機，可以通過專用總作為從機，可以通過專用總線接口與主機進行通訊，傳線接口與主機進行通訊，傳輸數(shù)據(jù)。目前采用的總線主輸數(shù)據(jù)。目前采用的總線主要有：要有：1-WIRE1-WIRE總線總線單總線；單總線；USBUSB通用串行總線；通用串行總線；SPISPI三線串行總線；三線串行總線；I2CI2C二線串行總線；二線串行總線；SMBUSSMBUS更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 基于基于1-WIRE1-WIRE總線的總線的DB18B20DB18B20型智能溫度傳感器型智能溫度傳感器 DS1820 DS1820是是DALLASDALL

24、AS半導體公司生產(chǎn)的可半導體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，與其它溫度傳組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器，與其它溫度傳感器相比有以下特點：感器相比有以下特點： 單線接口方式，可實現(xiàn)雙向通訊；單線接口方式，可實現(xiàn)雙向通訊； 支持多點組網(wǎng)功能，多個支持多點組網(wǎng)功能，多個18201820可并聯(lián)可并聯(lián) 在唯一的總線上實現(xiàn)多點測溫；在唯一的總線上實現(xiàn)多點測溫； 使用中不需要任何外圍器件，測量結使用中不需要任何外圍器件，測量結 果以果以9 9位數(shù)字量方式串行傳送位數(shù)字量方式串行傳送 溫度范圍溫度范圍 -55-55+125 +125 供電電壓供電電壓 +3 +3 +5.5V +5.5V 1 2 3GND I/O VD

25、D兩種封裝形式：三個引腳兩種封裝形式：三個引腳 八個引腳八個引腳I/O I/O ：輸入：輸入/ /輸出端輸出端VDD VDD ：外部電源：外部電源+5V+5VGND GND ：地，：地，NC NC ：空腳：空腳更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 基于基于1-WIRE1-WIRE總線的總線的DB18B20DB18B20型智能溫度傳感器型智能溫度傳感器內內部部原原理理框框圖圖 內部電路框圖主要包括內部電路框圖主要包括7個部分：個部分：寄生電源，溫度傳感器，寄生電源，溫度傳感器，64位位ROM與接口，高速暫存器，與接口，高速暫存器，高溫高溫TH觸發(fā)寄存器、低溫

26、觸發(fā)寄存器、低溫TL觸發(fā)寄存器，存儲與控制邏觸發(fā)寄存器，存儲與控制邏輯，輯，8位循環(huán)冗余校驗碼（位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器。）發(fā)生器。 64位位ROM與接口與接口存儲與控制邏輯存儲與控制邏輯溫度傳感器溫度傳感器電源電源8位位CRC發(fā)生器發(fā)生器TH 觸發(fā)寄存器觸發(fā)寄存器TL 觸發(fā)寄存器觸發(fā)寄存器便箋式便箋式 RAM 高速暫存器高速暫存器更多汽車資料、汽車課件免費下載更多汽車資料、汽車課件免費下載 http:/ 基于基于1-WIRE1-WIRE總線的總線的DB18B20DB18B20型智能溫度傳感器型智能溫度傳感器 測溫原理測溫原理 低溫度系數(shù)振蕩器溫度影響小，用于產(chǎn)生固定頻率信號低溫度系數(shù)振蕩器溫度影響小，用于產(chǎn)生固定頻率信號f0送計數(shù)器送計數(shù)器1； 高溫度系數(shù)振蕩頻率隨溫度變化，產(chǎn)生信號脈沖送計數(shù)器高溫度系數(shù)振蕩頻率隨溫度變化，產(chǎn)生信號脈沖送計數(shù)器2； 計數(shù)器計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在和溫度寄存器被預置在-55對應的基數(shù)值；對應的基數(shù)值； 計數(shù)器計數(shù)器1對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生