温度传感器

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。 (录入编辑：电路图电路网www.dltdl.com)
  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/℃。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。
  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。(录入编辑：电路图电路网www.dltdl.com)