关于温度传感器的文献综述

I 温度传感器简单概述 摘 要 温度是表征物体冷热程度的物理量。在工农业生产和日常生活中，对温度的测 量始终占据着重要的地位。温度传感器应用范围之广，使用数量之大，也高居各类 传感器之首。且它的发展大致经历了传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感 器/控制器，智能温度传感器这三个阶段。目前，温度传感器正向着单片集成化、智 能化、网络化和单片系统化的方向发展。 关键词 温度 温度传感器 传感器 智能化 目 录 摘 要.I 目 录.II 1 前 言.1 2 传感器的介绍.2 2.1 传感器的概念.2 2.2 传感器的分类.2 3 温度传感器的发展阶段.3 3.1 分立式温度传感器.3 3.2 模拟集成温度传感器.3 3.3 模拟集成温度控制器.4 3.4 智能温度传感器.4 4 温度传感器的发展趋势.5 5 结语.7 参考文献.8 1 1 前 言 蔬菜的生长与温度息息相关，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素 是温度控制。温度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温度始终控 制在适合蔬菜生长的范围内。如果仅靠人工控制既费时费力, 效率低，又容易 发生差错，为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温度自动控制系统，来监 控采集大棚内各个角落的温度变化情况，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。 要时刻对蔬菜大棚的温度进行测量，就离不开温度传感器。 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。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 0.5 0.0625。由美国 DALLAS 半导体公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度 传感器，能输出 13 位二进制数据，其分辨力高达 0.03125，测温精度为 0.2。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。 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。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、C 总线、SMBus 总线和 SPI 总线。 2 I 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。 温度传感器的应用范围很广，它不仅广泛应用于日常生活中，而且也大量 应用于自动化和过程检测控制系统。温度传感器的种类很多，根据现场使用条 件，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿 命和降低成本的目的。 2 2 传感器的介绍 随着现代科技的发展，传感器技术的应用越来越广泛。其中，在传感器家 族中占有重要地位的成员-温度传感器的应用也深入了各个领域。 2.1 传感器的概念 从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换 成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以传 感器由信号感受器和信号转换器组成，它能够感受一定的信号并将这种信号转 换成信息处理系统便于接收和处理的信号（如电信号和光信号），有的半导体 敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。 2.2 传感器的分类 传感器分类方法很多，常用的有两种。 第一种温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为两大类:一类是接 触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。 接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导 及对流原理达到热平衡，这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度 比较高，并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布，但对于运动的、热容 量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。 非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。目前最常用的是辐射热交换 原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化 迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。 第二种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。 3 3 温度传感器的发展阶段 温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发 展大致经历了以下三个阶段：传统的分立式温度传感器，模拟集成温度传感器/ 控制器，智能温度传感器。 3.1 分立式温度传感器 传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器，均属于分立式温 度传感器，传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。此类传感器通常要 配温度变送器，以获得标准的模拟量（电压或电流）输出信号。使用时还需配 上二次仪表，才能完成温度测量及控制功能。其主要缺点是外围电路比较复杂、 测量精度较低、分辨率不高、需经行温度校正，如热电偶传感器。热电偶传感 器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受 中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-501600进行连续测 量。这类传感器输出模拟电压或电流信号，信号范围各异，要经过复杂的调理 电路和 A/D 转换才能与单片机相连接。另外它们的体积较大，使用也不够方便。 因此，分立式温度传感器逐渐被淘汰。 3.2 模拟集成温度传感器 模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此又称硅传感器 或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的，它 将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模 拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格 低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要 进行非线性校准，外围电路简单。这类温度传感器也输出模拟电压或电流，但 输出信号比较规范，一般经过简单处理和 A/D 转换就可以与单片机相连接。它 是目前国内外应用最普遍的一种集成传感器。典型产品有 AD590，AD592，LMP17，LM135 等。 根据输出方式的不同，模拟集成温度传感器可以划分 5 类： （1）电流输出式集成温度传感器的特点是输出电流与热力学温度成正比， 电流温度系数 K 的单位是 A/K。典型产品有 AD590、AD592、HTS1 和 TMP17。 4 （2）电压输出式集成温度传感器的特点是输出电压与热力学温度成正比， 电压温度系数 KV 的单位是 V/K。典型产品有 LM334、LM35 和 LM34A。 （3）周期输出式集成温度传感器的特点是输出方波的周期与热力学温度成 正比，周期温度系数 KT 的单位是 us/K。典型产品有 MAX6576。 （4）频率输出式集成温度传感器的特点是输出方波频率与热力学温度成正 比，频率温度系数 Kf 的单位是 Hz/K。典型产品有 MAX6577。 （5）比率输出式集成温度传感器的特点是输出电压不仅与温度有关，还与 电源电压的实际值与标称值的比率成正比，因此可以消除因电源电压存在偏差 或在工作过程中发生波动而引起的误差。典型产品有 AD22100 和 AD22103。 其中后三者属于增强型模拟集成温度传感器。 3.3 模拟集成温度控制器 模拟集成温度控制器主要包括温度开关、可编程温度控制器，典型产品有 LM56、AD22105 和 MAX6509。某些增强型集成温度控制器（例如 TC652/653）中 还包含了 A/D 转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处， 但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要差别。 3.4 智能温度传感器 智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在 20 世纪 90 年代中期问世的。 智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶，它也是集 成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。且它输出的是数字信 号，可以直接同单片机相连接，具有克服模拟传感器与微处理器接口时需要信 号调理电路和 A/D 转换器的弊端的优点。 智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D 传感器、信号处理器、存储 器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存 取存储器和只读存储器。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量， 适配各种微控制器，并且可通过软件来实现测试功能，其智能化取决于软件的 开发水平。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能 化及网络化的方向发展。 5 4 温度传感器的发展趋势 进入 21 世纪之后，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。 （1）提高测温精度和分辨力 21 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。目前，国外已相继推出多种高速 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。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。 （2）不断增加测试功能 新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629 型单线智能 温度传感器增加了实时日历时钟，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。 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，主机还可以通过相应的寄存器来设定其 A/D 转换 速度、分辨率及最大转换时间。 （3）总线技术的标准化与规范化 与此同时，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化。目前所 采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、C 总线、SMBus 总线和 SPI 总线。第 2 I 一种属于一线串行总线，第二、三种属于二线串行总线，第四种则为三线串行 总线。上述温度传感器作为从机，可通过专用总线接口与主机经行通信，由于 它们的总线接口符合标准化、规范化设计，使用户操作起来更加简便。 （4）可靠性及安全性设计 6 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，其缺点是噪声 容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差，分辨率较低、成本较高，线 性度也不够理想。 为了提高传感器的抗干扰能力，新型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器技术，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;由于采用数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度 的转换精度。这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性 度好、成本低等优点。 （5）开发虚拟温度传感器和网络温度传感器 虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。利 用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标。最近，病因 B&K 公 司已开发出一种基于软件设置的 TEDS 型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器 都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定 的 有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入 该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的 检查、传感 器参数的读取、传感器设置和记录工作。 （6）研发单片机测温系统 单片系统是 21 世纪一项高新科技产品，它是在芯片上集成以个系统或子系 统，这将给 IC 产业及 IC 应用带来划时代的进步。最近，ADI 公司已在单片机 系统芯片的研究上取得突破性的进展，开发出精密数据采集系统级芯片。它把 微控制器 8051/8052、高精度数模/模数转换器，山素存储器，随机存取存储器 以及通信电路等集成在单一芯片上，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表和通 信等领域。 7 5 结语 随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围的不断扩大，对温度传 感器的要求也越来越高，归纳起来有以下几个方面： (l) 扩展测温范围：目前工业常用的测温范围为-2003000，随着工 业的发展，对超高温、超低温的测量要求越来越迫切，如在宇宙火箭技术中常 常需要测量几千度的高温。 (2) 提高测量精度：随着电子技术的发展，信号处理仪表的精度有了很大 的提高，特别是微型计算机的使用使得对信号的处理精度更加提高。 (3) 扩大测温对象：随着工业和人们日常生活要求的提高，现在已由点测 量发展到线、面测量。在环境保护、家用电器上都需要各种各样的测温仪表。 (4) 发展新产品，满足特殊需要：在温度测量中，除了进一步扩展与完善 管缆热电偶、热电阻，以及晶体管测温元件、快速高灵敏度的普通热电偶外， 而且根据被测对象的环境，提出了许多特殊的要求。如防硫、防爆、耐磨的热 电偶，钢水连续测温，火焰温度测量等。 (5) 显示数字化：温度仪表不但具有读数直观、无误差、分辨率高、测量 误差小的特点，而且给温度仪表的智能化带来很大方便。 (6) 检定自动化：由于温度校验装置将直接影响温度仪表质量的提高，值 得在这方面花大力气