溫度傳感器工作原理

1、接觸式溫度傳感器的檢測(cè)部分與被測(cè)對(duì)象有良好的接觸，又稱(chēng)溫度計(jì)。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(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)，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(lèi)。按照溫度傳感器輸出信號(hào)的模式，可大致劃分為三大類(lèi)：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(jìn)入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)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)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(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、可作為從

2、機(jī)可通過(guò)專(zhuān)用總線接口與主機(jī)進(jìn)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(cè)部分與被測(cè)對(duì)象有良好的接觸，又稱(chēng)溫度計(jì)1203080SU旳rID23度計(jì)溫度計(jì)通過(guò)傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，從而使溫度計(jì)的示值能直接表示被測(cè)對(duì)象的溫度。一般測(cè)量精度較高。在一定的測(cè)溫范圍內(nèi)，溫度計(jì)也可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)體、小目標(biāo)或熱容量很小的對(duì)象則會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，常用的溫度計(jì)有雙金屬溫度計(jì)、玻璃液體溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門(mén)。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計(jì)。隨著低溫技術(shù)在國(guó)防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化

3、工等部門(mén)的廣泛應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)的研究，測(cè)量120K以下溫度的低溫溫度計(jì)得到了發(fā)展，如低溫氣體溫度計(jì)、蒸汽壓溫度計(jì)、聲學(xué)溫度計(jì)順磁鹽溫度計(jì)、量子溫度計(jì)、低溫?zé)犭娮韬偷蜏販夭铍娕嫉?。低溫溫度?jì)要求感溫元件體積小、準(zhǔn)確度高、復(fù)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(jì)的一種感溫元件，可用于測(cè)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(cè)對(duì)象互不接觸，又稱(chēng)非接觸式測(cè)溫儀表。這種儀表可用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體、小目標(biāo)和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對(duì)象的表面溫度，也可用于測(cè)量溫度場(chǎng)的溫1?光電面鉗比色計(jì)船原理姑閱圖!樹(shù)此A甲行骨嗣磚簡(jiǎn)片；4*半；帕出

4、刖就亦Bfilfft丘期悄；吋井需JB：7.齊制盤(pán)甘；B10-rt光電禮;12-Uffii3-5|14p電ffliif-iifje電助風(fēng)；冷烹文昏溫度傳感器度分布。最常用的非接觸式測(cè)溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱(chēng)為輻射測(cè)溫儀表。輻射測(cè)溫法包括亮度法（見(jiàn)光學(xué)高溫計(jì)）、輻射法（見(jiàn)輻射高溫計(jì)）和比色法（見(jiàn)比色溫度計(jì)）。各類(lèi)輻射測(cè)溫方法只能測(cè)出對(duì)應(yīng)的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對(duì)黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測(cè)溫度才是真實(shí)溫度。如欲測(cè)定物體的真實(shí)溫度，則必須進(jìn)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(zhǎng)，而且還與表面狀態(tài)、涂膜和微觀組織等有關(guān)，因此很難精確測(cè)量。在自動(dòng)化

5、生產(chǎn)中往往需要利用輻射測(cè)溫法來(lái)測(cè)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(cè)量是相當(dāng)困難的。對(duì)于固體表面溫度自動(dòng)測(cè)量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測(cè)表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測(cè)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(guò)儀表對(duì)實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行相應(yīng)的修正，最終可得到被測(cè)表面的真實(shí)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(cè)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)：卩二J喬式中為材料表面發(fā)射率，p為反射鏡的反射率。至于氣體和液體介質(zhì)真

6、實(shí)溫度的輻射測(cè)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(guò)計(jì)算求出與介質(zhì)達(dá)到熱平衡后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動(dòng)測(cè)量和控制中就可以用此值對(duì)所測(cè)腔底溫度（即介質(zhì)溫度）進(jìn)行修正而得到介質(zhì)的真實(shí)溫度。非接觸測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量上限不受感溫元件耐溫程度的限制，因而對(duì)最高可測(cè)溫度原則上沒(méi)有限制。對(duì)于1800r以上的高溫，主要采用非接觸測(cè)溫方法。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，輻射測(cè)溫逐漸由可見(jiàn)光向紅外線擴(kuò)展，700r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(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體和半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為T(mén)，稱(chēng)為工作端或熱端，另一

7、端溫度為T(mén)O,稱(chēng)為自由端（也稱(chēng)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(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)。與塞貝克有關(guān)的效應(yīng)有兩個(gè):其一,當(dāng)有電流流過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的連接處時(shí)，此處便吸收或放出熱量（取決于電流的方向），稱(chēng)為珀?duì)柼?yīng)；其二，當(dāng)有電流流過(guò)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體吸收或放出熱量（取決于電流相對(duì)于溫度梯度的方向），稱(chēng)為湯姆遜效應(yīng)。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱(chēng)為熱電偶。熱電偶的熱電勢(shì)EAB（T,T0）是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)合成的。接觸電勢(shì)是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接

8、觸點(diǎn)的溫度有關(guān)溫差電勢(shì)是指同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)只與導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、截面大小、沿其長(zhǎng)度方向的溫度分布無(wú)關(guān)。無(wú)論接觸電勢(shì)或溫差電勢(shì)都是由于集中于接觸處端點(diǎn)的電子數(shù)不同而產(chǎn)生的電勢(shì)，熱電偶測(cè)量的熱電勢(shì)是二者的合成。當(dāng)回路斷開(kāi)時(shí)，在斷開(kāi)處a，b之間便有一電動(dòng)勢(shì)差V,其極性和大小與回路中的熱電勢(shì)一致，如圖2-1（b）所示。并規(guī)定在冷端，當(dāng)電流由A流向B時(shí)，稱(chēng)A為正極，B為負(fù)極。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)AV很小時(shí)，AV與成正比關(guān)系。定義AV對(duì)的微分熱電勢(shì)為熱電勢(shì)率，又稱(chēng)塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)的符號(hào)和大小取決于組成熱電偶的兩種導(dǎo)體的熱電特性和結(jié)點(diǎn)的溫度差

9、。種類(lèi)目前，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦了8種類(lèi)型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，即為T(mén)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(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過(guò)測(cè)量其阻值推算出被測(cè)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-200500C溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量。純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應(yīng)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(yīng)具有良好的線性關(guān)系。 電阻率高，熱容量小，反應(yīng)速度快。 材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，價(jià)格低。1.-aoofrIOO4005MdO52L電陰辜O熱敏電阻溫度特性 在測(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)物理特

10、性穩(wěn)定。目前，在工業(yè)中應(yīng)用最廣的鉑和銅，并已制作成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娮?。鉗電阻鉑電阻與溫度之間的關(guān)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及t。時(shí)鉑電阻的電阻值，t為任意溫度，A、B、C為溫度系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，A=3.9684x10-3/C，B=-5.847x10-7/C2,C=-4.22x10-l2/C3。由公式可看出，當(dāng)R0值不同時(shí)，在同樣溫度下，其Rt值也不同。銅電阻在測(cè)溫精度要求不高，且測(cè)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鉑電阻。在-501

11、50C的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度成線性關(guān)系，其電阻與溫度關(guān)系的表達(dá)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(duì)溫度的監(jiān)控，在一些溫度范圍內(nèi)線性不好，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償或引線補(bǔ)償；熱慣性大，響應(yīng)時(shí)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(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且它還將驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有實(shí)際尺寸小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD59

12、0電流輸出型。這里主要介紹該類(lèi)器件的幾個(gè)典型。AD590溫度傳感器AD590是美國(guó)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(dāng)在電路中串接采樣電阻R時(shí)，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(hào)傳輸距離可達(dá)到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達(dá)20MQ，所以它不必考慮選擇開(kāi)關(guān)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(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的控制。LM135/235/335溫度傳感器LM135/235/335系列

13、是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(lèi)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(dòng)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,LM235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(yīng)用于溫度測(cè)量、溫差測(cè)量以及溫度補(bǔ)償系統(tǒng)中。溫度傳感器-邏輯輸出型溫度傳感器在許多應(yīng)用中，我們并不需要嚴(yán)格測(cè)量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了一個(gè)設(shè)定范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其它控

14、制設(shè)備,此時(shí)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(kāi)關(guān)LM56是NS公司生產(chǎn)的高精度低壓溫度開(kāi)關(guān)，內(nèi)置1.25V參考電壓輸出端。最大只能帶5OpA的負(fù)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+395mVoMAX6501/02/03/04溫度監(jiān)控開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)，它的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單：用戶(hù)選擇一種接近于自己需要的控制的溫度門(mén)限（由廠方預(yù)設(shè)在-45C到+115C，預(yù)設(shè)值間

15、隔為10C）。直接將其接入電路即可使用，無(wú)需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503為漏極開(kāi)路低電平報(bào)警輸出，MAX6502/MAX6504為推/拉式高電平報(bào)警輸出，MAX6501/MAX6503提供熱溫度預(yù)置門(mén)限（35C到+115C），當(dāng)溫度高于預(yù)置門(mén)限時(shí)報(bào)警；MAX6502/MAX6504提供冷溫度預(yù)置門(mén)限（-45C到+15C），當(dāng)溫度低于預(yù)置門(mén)限時(shí)報(bào)警。對(duì)于需要一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度超限報(bào)警而又空間有限的應(yīng)用如筆記本電腦蜂窩移動(dòng)電話等應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(guò)引腳選擇為2C或10C，以避免溫度接近門(mén)限值時(shí)輸出不穩(wěn)定。這類(lèi)器件的工作電壓

16、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(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有精確的，與溫度相關(guān)的良好輸出特性。PTAT的輸出通過(guò)占空比比較器調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，占空比DC=0.32+0.0047*t,t為攝氏度。輸出數(shù)字信號(hào)故與微處理器MCU兼容，通過(guò)處理器的高頻采樣可算出輸出電壓方波信號(hào)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(diǎn)，可達(dá)到0.005K。測(cè)量溫度范圍-45到130C,故適用于高精度的應(yīng)用。MAX6575/76/77

17、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(shè)計(jì)問(wèn)題將得到簡(jiǎn)化。同樣，當(dāng)A/D和微處理器的I/O管腳短缺時(shí)，采用時(shí)間或頻率輸出的溫度傳感器也能解決上述測(cè)量問(wèn)題。以MAX6575/76/77系列SOT-23封裝的溫度傳感器為例，這類(lèi)器件可通過(guò)單線和微處理器進(jìn)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(shí)，并具備0.8C的典型精度，一條線最多允許掛接8個(gè)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(hào)具有正比于絕對(duì)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(guò)一條I/O與微處理器相連，利用微處理

18、器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器測(cè)出周期后就可計(jì)算出溫度?？啥帱c(diǎn)檢測(cè)、直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器DS1612是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS數(shù)字式溫度傳感器。內(nèi)含兩個(gè)不揮發(fā)性存儲(chǔ)器，可以在存儲(chǔ)器中任意的設(shè)定上限和下限溫度值進(jìn)行恒溫器的溫度控制，由于這些存儲(chǔ)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(dú)立使用。DS1612傳感器溫度測(cè)量原理和精度：在芯片上分別設(shè)置了一個(gè)振蕩頻率溫度系數(shù)較大的振蕩器（OSC1）和一個(gè)溫度系數(shù)較小的振蕩器（OSC2）。在溫度較低時(shí)，由于OSC2的開(kāi)門(mén)時(shí)間較短，因此溫度測(cè)量計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值（n）較??；而當(dāng)溫度較高時(shí)，由于OSC2的開(kāi)門(mén)時(shí)間較長(zhǎng)，其計(jì)數(shù)值（m）增大。如果在

19、上述計(jì)數(shù)值基礎(chǔ)上再加上一個(gè)同實(shí)際溫度相差的校正數(shù)據(jù)，就可以構(gòu)成一個(gè)高精度的數(shù)字溫度傳感器。該公司將這個(gè)校正值定入芯片中的不揮發(fā)存儲(chǔ)器中，這樣傳感器輸出的數(shù)字量就可以作為實(shí)際測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，而不需要再進(jìn)行校準(zhǔn)。它可測(cè)量的溫度范圍為-55C+125C，在0C+70C范圍內(nèi)，測(cè)量精度為0.5C，輸出的9位編碼直接與溫度相對(duì)應(yīng)。DS1621同外部電路的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的通信是通過(guò)雙向總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由CPU生成串行時(shí)鐘脈沖（SCL）,SDA是雙向數(shù)據(jù)線。通過(guò)地址引腳A0、A1、A2將8個(gè)不同的地址分配給各器件。通過(guò)設(shè)定寄存器來(lái)設(shè)置工作方式，并對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。被測(cè)的溫度數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在溫度傳感器寄存器中，高溫（TH）和低溫（TL）閾值寄存器存儲(chǔ)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(lái)越專(zhuān)業(yè)化。比如，MAXIM公司近期推出的MAX1619是一種增強(qiáng)型精密遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器，