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-9 2、 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 SO

T-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 MA X6575/76/77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 S OT-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

DS1612

DS1612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(OS C1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 M AX1619 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 MAX 1617A 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℃。