第一章 温度传感器..

五邑大学第一章温度传感器主讲教师：张京玲信息工程学院v将温度T变化-------电阻变化的元件，主要有金属热电阻、半导体热电阻、陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR)和高分子热敏电阻；v将温度变化-------电势的传感器，主要有热电偶和PN结式传感器；v将热辐射-------电学量的器件，有热释电探测器、红外探测器；v集成温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等温度传感器分类第一章温度传感器五邑大学传感器原理及应用电阻型温度传感器半导体PN结型温度传感器热电偶其它温度传感器第一章温度传感器1.2热电偶热电偶：利用两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器。通常我们称这种现象为热电势，这种现象就是热电效应。T0T0EAB(T,T0)T1.2热电偶热电偶：利用两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器。通常我们称这种现象为热电势，这种现象就是热电效应。T0T0EAB(T,T0)T1.2.1热电偶的基本原理一、热电效应(塞贝克效应):用两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生电流。塞贝克电势EAB(T,T0)uAT0ABTμAT0T0EAB(T,T0)T热电势率(塞贝克系数)αTAB热电效应珀尔贴效应汤姆逊效应1.2.1热电偶的基本原理1.珀尔帖效应ABE珀尔帖电势(接触电势)同温度、两种金属、自由电子密度不同、扩散бA称为汤姆逊系数表示温差1℃时产生的电势差2.汤姆逊电势(温差电势)均质导体棒、两端温度不同、高、低温端的自由电子动能不同、扩散1.2.1热电偶的基本原理v由此可得有关热电偶的几个结论(1)热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总热电势为零。(2)尽管采用两种不同的金属，若热电偶两接点温度相等，即T=T0，回路总电势为零。(3)只有两不同材料组成热电偶、且T,T0不同，才有热电势出现；温差越大，回路的总电势也越大。（4）热电势只与结点温度有关，与中间各处温度无关。1.2.1热电偶的基本原理二、热电偶的基本定律1.均质导体定律：两均质金属的热电势大小与热电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温度有关。2.标准电极定律：两种金属的热电势可用它们分别与第三种金属的热电势之差来表示。1.2.1热电偶的基本原理T0AABBCCTTTT0T01.2.1热电偶的基本原理（2）标准电极定律当温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势之代数和，即导体C称为标准电极，故把这一定律称为标准电极定律。3.中间导体定律在热电偶的参考端接入第三种均质金属,被插入金属两端温度相同（T0），只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响原来热电势的大小,即中间导体定律。ABTCT0T0图1-2-6具有第三种导体的热电偶回路mVCC1.2.1热电偶的基本原理4.中间温度定律T0T0TnTAABB热电偶的接点温度为T、T0时，其热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时相应的热电势的代数和。1.2.1热电偶的基本原理五邑大学集成IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器μPC616A／C，LM135，AN670l等电流型IC温度传感器AD590，LM134数字输出型IC温度传感器DS1B820，ETC-800等1.3半导体PN结型温度传感器五邑大学电流型IC温度传感器把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上,再通过激光修版微加工技术,制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1μA/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗。其值可达10MΩ。这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。电压型IC温度传感器将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上,制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV／℃；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。1.3半导体PN结型温度传感器2.8集成数字温度传感器2.8.2电压型集成温度传感器μPC616A／C四端电压输出型传感器框图:它由PTAT核心电路、参考电压源和运算放大器三部分组成，其四个端子分别为U+、U-、输入和输出。该类型传感器的最大工作温度范围是-40℃～125℃，灵敏度是10mV／K，线性偏差为0.5%～2%，长期稳定性和重复性为0.3%，精度为±4K。6.85VPTAT电路－＋运放10mV/K50kU＋U－输出输入1.3半导体PN结型温度传感器v基本应用电路输入输出＋15VR18.2kU＋U－Uo(10mV/K)(a)正电源输入输出U＋U－Uo(－10mV/K)(b)负电源－15V1.3半导体PN结型温度传感器v温度检测电路输入输出＋15VR112kU＋U－Uo(10mV/℃)(a)CR327kR439kRw5kR25.6k－15V输入输出U＋U－(b)－15VR220k－＋Rw100kR17.5kR320kUo(10mV/℃)＋15V1.3半导体PN结型温度传感器电流型集成温度传感器AD5901、性能特点①线性电流输出：1μA／K。②工作温度范围：-55℃～155℃。③两端器件：电压输入,电流输出。④激光微调使定标精度达±0.5℃。⑤整个工作温度范围内非线性误差小于±0.5℃。⑥工作电压范围：4V～30V。⑦器件本身与外壳绝缘。1.3半导体PN结型温度传感器2、简单应用：温度测量和温差测量1.3半导体PN结型温度传感器v多点温度测量1.3半导体PN结型温度传感器五邑大学美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。（三）数字输出型IC温度传感器1.3半导体PN结型温度传感器五邑大学１、DS1820的特性单线接口：仅需一根口线与MCU连接；无需外围元件；由总线提供电源；测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃；九位温度读数；A/D变换时间为200ms；用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。1.3半导体PN结型温度传感器五邑大学DS1820123GNDI/OVDD(a)PR—35封装DS1820的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2、DS1820引脚及功能GND：地；VDD：电源电压I/O：数据输入／输出脚(单线接口，可作寄生供电)1.3半导体PN结型温度传感器五邑大学3、DS1820的工作原理图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位ROM单线接口、存放中间数据的高速存储器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。存储器控制逻辑64bitROM和单线接口电源检测温度传感器高温触发器低温触发器存储器DS1820内部结构图8位CRC触发器1.3半导体PN结型温度传感器五邑大学64位ROM的结构如下：开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。(2)64位ROM8位自身代码48位产品序列号8位CRC校验码五邑大学主机操作ROM的命令有五种，如表所列指令说明读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应(2)64位ROM五邑大学由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EERAM。便笺式RAM占9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。暂存器的命令共6条。(3)高速存储器五邑大学DS1820存贮控制命令指令说明温度转换（44H）启动在线DS1820做温度A/D转换读数据（BEH）从高速暂存器读9bits温度值和CRC值写数据（4EH）将数据写入高速存储器的第0和第1字节中复制（48H）将高速存储器中第2和第3字节复制到EERAM读EERAM（B8H）将EERAM内容写入高速存储器中第2和第3字节读电源供电方式（B4H）了解DS1820的供电方式五邑大学DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。DS1820工作工程中的协议：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令、处理数据。五邑大学温度/℃输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表五邑大学４温度检测系统原理由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了广泛应用。采用寄生电容供电的温度检测系统89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx……五邑大学DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为微处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线相连的器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载能力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线总线要求加一只5kΩ左右的上拉电阻。应特别注意：当总线上DS1820挂接得比较多时，就要减小上拉电阻的阻值，否则总线拉不成高电平，读出的数据全是0。v每一片DSl820在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DSl820的序列号读出。v当主机需要对众多在线1820的某一个进行操作时，首先要发出匹配ROM命令（55H）。接着主机提供64位序列（包括该1820的48位序列号），之后的操作就是针对该DSl820的。v先发送跳过搜索ROM命令，之后的操作是对所有DS1820的。多点测温的原理基本流程v程序发送跳过搜索ROM命令。v发出统一的温度转换启动码44H，就可以启动所有DSl820进行温度变换。v然后匹配ROM命令（55H），再逐一地读回每个DSl820的温度数据。v根据多点测温的原理，其基本流程如图：复位跳过搜索ROM命令发出温度转换命令（44H）延时1s复位匹配1号DSl8B20（55H）读取1号温度复位匹配2号DSl8B20（55H）读取2号温度第N号多点测温基本流程图1.4其它温度传感器v物体的热辐射作用随物体温度变化v非接触测量v热惯性小1.4.1热辐射温度传感器一、全辐射高温计v理论基础：