温度传感器-介绍-应用

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   温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%。
    温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。
    由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传感器的种类与测温范围如下表所示。

温度传感器的种类与测温范围
测量原理	种类	测温范围（1℃）	特征
体积热膨胀	玻璃制水银温度计	-20— 350	不需要用电
	玻璃制有机液体温度计	-100— 100
	双金属温度计	0— 300
	液体压力温度计	-200— 350
	气体压力温度计	-250— 550
电阻变化	铜电阻	-50— 150	精度中等，价格低
	铂电阻	-200— 600	精度高，价格贵
	热敏电阻	低温-200—0	精度低，灵敏度高，价格最低
		一般-50— 30
		中温0— 700
热电效应	镍铬—考铜	0500(-200— 800)	测量范围宽，精度高， 需要冷端补偿
	镍铬—镍硅	0800(-200— 1250)
	铂铑10—铂	200—1400(0—1700)
	铂铑30—铂铑	200—1500(100—1900)
P—N结结电压变化	半导体二极管	-150— 150(Si)	灵敏度高，线性度好， 二极管一类价格低
晶体管特性变化	晶体管	150— 150
	半导体集成电路	-40— 150
压电反应	石英晶体振荡器	-100— 200	可作标准使用
频率变化	SAW振荡元件	0— 200
光学变化	光学高温度计	900— 2000	非接触测量
热辐射	辐射源温度传感器	100— 2000
磁性变化	热铁素体	-80— 150	在特定温度下变化
	Fe-Ni-Cu合金	0—350
电容变化	BaSrT2O3陶瓷	-270— 150	温度与电容是倒数关系
物质颜色	示温涂料	0—1300	检测温度不连续
	液晶	0—100	颜色连续变化

    温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度（如慢速行使的火车的轴承温度，旋转着的水泥窑的温度）及热容量小的物体（如集成电路中的温度分布）。
    温度传感器的种类较多，我们介绍几种主要的温度传感器及应用电路。
PN结温度传感器
工作原理
    晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。测温范围为-50— 150℃。典型的温度曲线如图1所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。


应用电路(一)
    图（2）是采用PN结温度传感器的数字式温度计，测温范围-50—150℃，分辨率为0.1℃,在0—100℃范围内精度可达±1℃。

    图中的R1，R2，D，W1组成测温电桥，其输出信号接差动放大器A1，经放大后的信号输入0—±2.000V数字式电压表（DVM）显示。放大后的灵敏度10mV/℃。A2接成电压跟随器。与W2配合可调节放大器A1的增益。
    通过PN结温度传感器的工作电流不能过大，以免二极管自身的温升影响测量精度。一般工作电流为100—300mA。采用恒流源作为传感器的工作电流较为复杂，一般采用恒压源供电，但必须有较好的稳压精度。
    精确的电路调整非常重要，可以采用广口瓶装入碎冰渣（带水）作为0℃的标准，采用恒温水槽或油槽及标准温度计作为100℃或其它温度标准。在没有恒水槽时，可用沸水作为100℃的标准（由于各地的气压不同，其沸点不一定是100℃，可用0—100℃的水银温度计来校准）。  
    将PN结传感器插入碎冰渣广口瓶中，等温度平衡，调整W1，使DVM显示为0V，将PN结传感器插入沸水中（设沸水为100℃），调整W2，使DVM实现为100.0V，若沸水温度不是100℃时，可按照水银温度计上的读数调整W2，使DVM显示值与水银温度计的数值相等。再将传感器插入0℃环境中，等平衡后看显示是否仍为0V，必要时再调整W1使之为0V，然后再插入沸水，看是否与水银温度计计数相等，经过几次反复调整即可。
    图中的DVM是通用3位半数字电压表模块MC14433，可以装入仪表及控制系统中作显示器。MC14433的应用电路可参考本网站的常用A/D转换器中的技术手册。它的主要技术指标如下：

• 基本量程：±1.999V(2V)
• 线性误差：该读数的0.05%±1字
• 电源：5—7.5V单电源
• 平均功耗：300mW
• 过量程时：数字闪烁
• DU脚接地时：数据可保持
  

应用电路(二)
    下面我们来看看利用不带A/D转换器的单片机实现测温的应用电路。

    这里我们选用内带一个模拟比较放大器的AT89C2051单片机来实现这一功能，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位单片机，内带2k的Flash程序存储器，128字节的内部RAM,具有15个I/O口，6个中断源，只有20个引脚，价格也相当便宜，可谓价廉物美的单片机。详细的资料可参见本网站的“ATMEL单片机”中的AT89C2051。其中内含一个模拟比较放大器，P1.0是比较放大器的同相输入端，P1.1是比较放大器的反相输入端，这两个输入输出口内部并没有上拉电阻，比较放大器的输出端连至P3.6，也没有引出，但可用指令访问该引脚。
    在该单片机外接RC元件即可构成简单的，低精度的A/D转换电路，电路如图3所示，P1.0（同相端）接上RC充放电阻和电容，P1.1（反相端）作为外部被测温度电压的输入端，作为PN结温度传感器，本身输出电压较低，可参照上一节我们给出的放大电路，温度传感电压经放大后再引至单片机的输入端。P1.2充放电控制端通过一个数kΩ的电阻接正电源Vcc，因为R1远小于R2，可以认为在P1.2输出逻辑高电平时，电压是相当接近Vcc高电平的。
    电路工作过程如下：程序开始时，先置P1.2为逻辑低电平，并延时一小段时间，使P1.2为低电平，电容C经R2放完电，此时，P1.0=0V，而P1.1>0V,比较放大器输出“0”电平，接着置P1.2为高电平，同时定时器开始计时，当电容C上的电压Vc充到Vc=Vx时，P1.0与P1.1的电位相等，比较放大器的同相端和反相端电平相等时，输出端P3.6输出高电平，当扫描查询到P3.6为高电平时即停止计时，那么只要测得开始对电容充电到P3.6输出高电平的时间，通过换算即可得到外部被测温度电压的值。
  
    这里需要指出，从图5中我们可以看到，电容器的充电过程并非线性，其充电过程可以描述为：

    这个非线性特性，我们在单片机编程时，可以通过补偿和校正的方法加以解决，最常用的方法也是最简单的方法是通过查表的办法进行修正。这样便可满足一种低精度简易的温度测量要求。