各种温度传感器分类及其原理.

各种温度传感器分类及其原理温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化,在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。1.热电偶的工作原理当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为TO,称为自由端(也称参考端或冷端,则回路中就有电流产生,如图2-1(a所示,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:其一,当有电流流过两个不同导体的连接处时,此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向,称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向,称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T,T0是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势,此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势,此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关,而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势,热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处a,b之间便有一电动势差△V,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图2-1(b所示。并规定在冷端,当电流由A流向B时,称A为正极,B为负极。实验表明,当△V很小时,△V与△T成正比关系。定义△V对△T的微分热电势为热电势率,又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。2.热电偶的种类目前,国际电工委员会(IEC推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶,即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。热电阻1.热电阻材料的特性导体的电阻值随温度变化而改变,通过测量其阻值推算出被测物体的温度,利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器,这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料,热电阻的材料应具有以下特性:①电阻温度系数要大而且稳定,电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。②电阻率高,热容量小,反应速度快。③材料的复现性和工艺性好,价格低。④在测温范围内化学物理特性稳定。目前,在工业中应用最广的铂和铜,并已制作成标准测温热电阻。2.铂电阻铂电阻与温度之间的关系接近于线性,在0~630.74℃范围内可用下式表示Rt=R0(1+At+Bt2(2-1在-190~0℃范围内为Rt=R0(1+At+Bt2十Ct3(2-2式中,RO、Rt为温度0°及t°时铂电阻的电阻值,t为任意温度,A、B、C为温度系数,由实验确定,A=3.9684×10-3/℃,B=-5.847×10-7/℃2,C=-4.22×10-l2/℃3。由式(2-1和式(2-2看出,当R0值不同时,在同样温度下,其Rt值也不同。3.铜电阻在测温精度要求不高,且测温范围比较小的情况下,可采用铜电阻做成热电阻材料代替铂电阻。在-50~150℃的温度范围内,铜电阻与温度成线性关系,其电阻与温度关系的表达式为Rt=R0(1+At(2-3式中,A=4.25×10-3~4.28×10-3℃为铜电阻的温度系数按照温度传感器输出信号的模式,可大致划分为三大类:数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。一、模拟温度传感器传统的模拟温度传感器,如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控,在一些温度范围内线性不好,需要进行冷端补偿或引线补偿;热惯性大,响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比,具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点,而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上,有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。这里主要介绍该类器件的几个典型。1、AD590温度传感器AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器,供电电压范围为3~30V,输出电流223μA(-50℃~423μA(+150℃,灵敏度为1μA/℃。当在电路中串接采样电阻R时,R两端的电压可作为喻出电压。注意R的阻值不能取得太大,以保证AD590两端电压不低于3V。AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。作为一种高阻电流源,最高可达20MΩ,所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。2、LM135/235/335温度传感器LM135/235/335系列是美国国家半导体公司(NS生产的一种高精度易校正的集成温度传感器,工作特性类似于齐纳稳压管。该系列器件灵敏度为10mV/K,具有小于1Ω的动态阻抗,工作电流范围从400μA到5mA,精度为1℃,LM135的温度范围为-55℃~+150℃,LM235的温度范围为-40℃~+125℃,LM335为-40℃~+100℃。封装形式有TO-46、TO-92、SO-8。该系列器件广泛应用于温度测量、温差测量以及温度补偿系统中。二、逻辑输出型温度传感器在许多应用中,我们并不需要严格测量温度值,只关心温度是否超出了一个设定范围,一旦温度超出所规定的范围,则发出报警信号,启动或关闭风扇、空调、加热器或其它控制设备,此时可选用逻辑输出式温度传感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。1、LM56温度开关LM56是NS公司生产的高精度低压温度开关,内置1.25V参考电压输出端。最大只能带50μA的负载。电源电压从2.7~10V,工作电流最大230μA,内置传感器的灵敏度为6.2mV/℃,传感器输出电压为6.2mV/℃×T+395mV。2、MAX6501/02/03/04温度监控开关MAX6501/02/03/04是具有逻辑输出和SOT-23封装的温度监视器件开关,它的设计非常简单:用户选择一种接近于自己需要的控制的温度门限(由厂方预设在-45℃到+115℃,预设值间隔为10℃。直接将其接入电路即可使用,无需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503为漏极开路低电平报警输出,MAX6502/MAX6504为推/拉式高电平报警输出,MAX6501/MAX6503提供热温度预置门限(35℃到+115℃,当温度高于预置门限时报警;MAX6502/MAX6504提供冷温度预置门限(-45℃到+15℃,当温度低于预置门限时报警。对于需要一个简单的温度超限报警而又空间有限的应用如笔记本电脑、蜂窝移动电话等应用来说是非常理想的,该器件的典型温度误差是±0.5℃,最大±4℃,滞回温度可通过引脚选择为2℃或10℃,以避免温度接近门限值时输出不稳定。这类器件的工作电压范围为2.7V到5.5V,典型工作电流30μA。三、数字式温度传感器1、MAX6575/76/77数字温度传感器如果采用数字式接口的温度传感器,上述设计问题将得到简化。同样,当A/D和微处理器的I/O管脚短缺时,采用时间或频率输出的温度传感器也能解决上述测量问题。以MAX6575/76/77系列SOT-23封装的温度传感器为例,这类器件可通过单线和微处理器进行温度数据的传送,提供三种灵活的输出方式--频率、周期或定时,并具备±0.8℃的典型精度,一条线最多允许挂接8个传感器,150μA典型电源电流和2.7V到5.5V的宽电源电压范围及-45℃到+125℃的温度范围。它输出的方波信号具有正比于绝对温度的周期,采用6脚SOT-23封装,仅占很小的板面。该器件通过一条I/O与微处理器相连,利用微处理器内部的计数器测出周期后就可计算出温度。2、可多点检测、直接输出数字量的数字温度传感器DS1612DS1612是美国达拉斯半导体公司生产的CMOS数字式温度传感器。内含两个不挥发性存储器,可以在存储器中任意的设定上限和下限温度值进行恒温器的温度控制,由于这些存储器具有不挥发性,因此一次定入后,即使不用CPU也仍然可以独立使用。温度测量原理和精度:在芯片上分别设置了一个振荡频率温度系数较大的振荡器(OSC1和一个温度系数较小的振荡器(OSC2。在温度较低时,由于OSC2的开门时间较短,因此温度测量计数器计数值(n较小;而当温度较高时,由于OSC2的开门时间较长,其计数值(m增大。如果在上述计数值基础上再加上一个同实际温度相差的校正数据,就可以构成一个高精度的数字温度传感器。该公司将这个校正值定入芯片中的不挥发存储器中,这样传感器输出的数字量就可以作为实际测量的温度数据,而不需要再进行校准。它可测量的温度范围为-55℃~+125℃,在0℃~+70℃范围内,测量精度为±0.5℃,输出的9位编码直接与温度相对应。DS1621同外部电路的控制信号和数据的通信是通过双向总线来实现的,由CPU生成串行时钟脉冲(SCL,SDA是双向数据线。通过地址引脚A0、A1、A2将8个不同的地址分配给各器件。通过设定寄存器来设置工作方式,并对工作状态进行监控。被测的温度数据被存储在温度传感器寄存器中,高温(TH和低温(TL阈值寄存器存储了恒温器输出(Tout的阈值。现在，各种集成的温度传感器的功能越来越专业化。比如，MAXIM公司近期推出的MAX1619是一种增强型精密远端数字温度传感器，能够监测远端P-N结和其自身封装的温度。它具有双报警输出：ALERT和OVERT。ALERT用于指示各传感器的高/低温状态，OVERT信号等价于一个自动调温器，在远端温度传感器超上限时触发，MAX1619与MAX1617A完全软件兼容，非常适合于系统关断或风扇控制，甚至在系统“死锁”后仍能正常工作。美国达拉斯半导体公司的DS1615是有记录功能的温度传感器。器件中包含实时时钟、数字式温度传感器、非易失性存储器、控制逻辑电路以及串行接口电路。数字温度传感器的测量范围为-40℃~+85℃，精度为±2℃，读取9位时的分辨率是0.03125℃。时钟提供的时间从秒至年月，并对到2100年以前的闰年作了修正。电源电压为2.2V~5.5V，8脚SOIC封装。DS17775是数字式温度计及恒温控制器集成电路。其中包含数字温度传感器、A/D转换器、数字寄存器、恒温控制比较器以及两线串行接口电路。供电电压在3V至5V时的测量温度精度为±2℃，读取9位时的分辨率是0.5℃，读取13位时的分辨率是0.03125℃。