有趣的温度传感器.doc

有趣的温度传感器的新发展 随着人类科学的进步计算机科学技术的发展也呈现多元化，以复变函数为工具，一数字电路为载体，利用反馈机制，是被控制对象在无人参与条件下自动按照预定规律运行的自动控制技术也在人类生产生活中扮演着不可或缺的角色。 一、概述 温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。国际单位为热力学温标(K)。目前国际上用得较多的其他温标有华氏温标(F)、摄氏温标(C)和国际实用温标。从分子运动论观点看，温度是物体分子运动平均动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。 现代信息技术的三大基础：信息采集、信息传输、信息处理。传感器是信息技术的前沿尖端产品。而温度传感器的应用也非常广泛。例如：农业上温度传感器可用于控制蔬菜大棚的温度以便维持适合蔬菜生长的温度。生活中的空调就是利用温度传感器的很好例子当我们设置好一个温度后温度传感器将室温信号传递给空调的处理器处理器在根据设定温度与室温是否有温差来控制空调是否工作。 温度传感器（temperature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。近百年来，温度传感器的发展已经由传统的分立式温度传感器发展到模拟集成温度传感器再到今天的智能温度传感器。 V 二、智能温度传感器如今，人们把网络化智能化作为温度传感器的新的研究方向。网络化智能温度传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展。网络化使得传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化了连接线路，易于系统的维护和扩充。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。具体有以下几个方面：1、提高测温精度的分辨力2、增加智能温度传感器的测试功能3、温度传感器总线技术的标准化与规范化4、可靠性及安全性 三、几种智能温度传感器举例在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1度。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625度。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨分智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125度，测温精度为+-0.2度。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器，每一路远程传感器的转换时间分别仅为27US,9US。所以在提高精度方面新型转化器的进一步研发可以使传感器的输出端输出跟多位的二进制数据。新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如,DS1629型单线温度传感增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。打个比方在笔记本电脑我们时常说熟悉的APU以及双通道等，要由于单独的CPU和GPU以及单通道。APU采用的是双显卡交火技术将CPU与GPU整合在一起这样就大大加快了计算机的运算速度。这样改变了以前的分级处理的模式。智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式，连续转换模式待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机（外部微器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率分辨力及最大转换时间。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的，典型产品有DS1620，DS1623,TCN75,LM76,MAX6625.智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。目前智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线（1-WIRE）总线，I2C总线，SMBUS总线和SPI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。智能温度传感器的安全可靠性是非常重要的，传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。菲格瑞思智能温度传感器普遍采用了高性能的-式A/D转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。-式A/D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低。为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队(faultqueue)”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=14)时，才能触发中断端。 四、应用举例 在一些食品加工厂里加工过程中，工人在炒原料的时候，就需要在不同的时间段里和不同的温度下混合不同的原材料，然后进行不同程度的翻炒，而且在炒制的过程中要对炒锅的温度进行严格的控制，防止炒坏原料。因此用温度传感器来进行温度检测，对于测量车间炒锅的温度是否准确，并在必要的时候进行报警，对原料质量的好坏有着重要的关键影响。在以往来看，企业原料车间里温度和时间的控制，我们靠的是人工经验在控制着。这对佐料的质量有一定的影响，因为人工凭经验对温度测量和时间的把握准确性不是很高，而且还会有误差，导致炒出来的原料质量参差不齐，没有一个统一标准，影响产品质量。我们针对上面的问题，选择了温度传感器和仪表组成的一个回路，用来提高准确测量温度和报警的目的，这对生产的帮助是很大的。在食品工业应用领域里面，用的最广泛的温度传感器材料就是铂和铜这两种：铂电阻它的精度高，适用于中性和氧化性介质的测量，稳定性能好，还具有一定的非线性，随着温度越高，其电阻变化率也越小;而铜电阻在测温范围之内，它的电阻值和温度呈一定的线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质测量，超过150度铜电阻容易被氧化。 五、小结 自动控制原理这门课程不仅仅只是为温度传感器的研发而服务。他是在为现代社会人类的生活、生产以及环境保护、环境污染的治理提供更加便捷更加高效的理论解决方案，使生产、生活更加高效。温度传感器仅仅只是自动控制原理的一个小小的分支。 参