温度传感器研究综述

PAGEPAGE2附件1：文献综述温度传感器研究综述专业班级：姓名：学号：摘要：本文主要介绍了热敏电阻、电阻温度探测器、热电偶和IC温度传感器4种温度传感器，并对这4种温度传感器进行了比较。关键词：温度传感器；热敏电阻；电阻温度探测器；热电偶；IC温度传感器1.引言温度是一个和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量，是国际单位制七个基本量之一，同时它也是一种最基本的环境参数。温度与人们的生活息息相关，在工业、农业、生产、生活等领域中，都需要对温度进行测量和控制[1]。例如，在粮仓需要对粮食进行多点温度检测，以避免粮食的腐烂和变质；在造纸、纺织等行业中，需要测量旋转滚筒表面的多点温度。许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分流才能得到汽油、柴油、煤油等产品[2]；没有合适的温度环境，许多电子设备不能正常工作等等。由此可见，温度测量在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。所以研究温度的检测具有重要的理论意义和推广价值。我们之所以能对不同条件不同阶段的温度进行测量，其实全靠温度传感器。温度传感器就是应用系统与现实世界之间的桥梁。主要的温度传感器有热敏电阻器、电阻温度探测器、热电偶和IC温度传感器等。常用的温度传感器2.1热敏电阻器热敏电阻是电阻值随温度变化而变化的敏感元件[3-4]。在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热电敏阻器。图1中为四种常见的热敏电阻器的电阻－温度特性曲线。曲线1是金属图1热敏电阻器的电阻-温度特性曲线热敏电阻器。它的电阻值随温度上升而线性增加，电阻温度系数为+0.004K-1左右。曲线2是普通负温度系数热敏电阻器。它的电阻值随温度上升而呈指数减小，室温下的电阻温度系数为-0.02K-1～-0.06K-1。曲线3是临界热敏电阻器(CTR)。它的电阻值在某一特定温度附近随温度上升而急剧减小，变化量达到2～4个数量级。曲线4A和4B是钛酸钡系正温度系数热敏电阻器。前者为缓变型，室温下的电阻温度系数在+0.03～+0.08K-1之间；后者为开关型，在某一较小温度区间，电阻值急增几个数量级，电阻温度系数可达+0.10～+0.60K-1。2.2电阻温度探测器电阻温度探测器(RTD)实际上是一根特殊的导线，它的电阻随温度变化而变化，通常RTD材料包括铜、铂、镍及镍/铁合金[5]。RTD元件可以是一根导线，也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上。RTD的电阻值以0℃阻值作为标称值。0℃，100Ω铂RTD电阻在1℃时它的阻值通常为100.39Ω，50℃时为119.4Ω。RTD的误差要比热敏电阻小，对于铂来说，误差一般在0.01%，镍一般为0.5%2.3热电偶热电偶是温度测量中最常用的温度传感器[6-7]。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实、价低，无需供电，也是最便宜的。热电偶测温基本原理：将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。由于电压和温度间是非线性关系，因此需要为参考温度(Tref)作第二次测量，并利用测试设备软件或硬件在仪器内部处理电压-温度变换，以最终获得热偶温度。简而言之，热电偶是最简单和最通用的温度传感器，但热电偶并不适合高精度的的测量和应用。2.4IC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[8-9]。其中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。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两端的电压可作为输出电压。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数字温度传感器采用硅工艺生产的数字式温度传感器[10]，其采用PTAT结构，这种半导体结构具有精确的，与温度相关的良好输出特性。PTAT的输出通过占空比比较器调制成数字信号，占空比与温度的关系如下式：DC=0.32+0.0047*t，t为摄氏度。输出数字信号故与微处理器MCU兼容，通过处理器的高频采样可算出输出电压方波信号的占空比，即可得到温度。该款温度传感器因其特殊工艺，分辨率优于0.005K。测量温度范围-45℃到130℃，故广泛被用于高精度场合。常用的数字温度传感器有DS18B203.不同温度传感器的比较相比之下热敏电阻器灵敏度高，工作温度范围宽，体积小，使用方便，易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强[12-13]。但是它的阻值与温度的关系非线性严重；元件的一致性差，互换性差，元件易老化。而RTD测温电阻的电阻温度系数分散性小，其精度高、线性好、灵敏度也比较高，稳定性和耐高压性也较好。缺点就在于热响应慢，耐振动和耐冲击性差，成本同比较高，不适合测量高温区。至于热电偶测温由于直接接触被测物体，测量准确；使用型号多，测量范围宽；和屏蔽线配合使用，抗干扰能力强。但它使用比较麻烦，一般需要连接温控仪、屏蔽线等综合使用，各种型号需要对应，成本也比较高。IC温度传感器具有极高的线性，低成本，搞精度（约1%），高输出幅度，易于系统集成，尺度小以及分辨率高等特点。但它的相应速度低，而且温度范围有限（-55℃~+1504.温度传感器的发展趋势随着工业生产效率不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度传感器的要求也愈来愈高。温度传感器的测温范围越来越宽，测温对象也不断延伸。现在工业上通用的检测温度范围为-200—3000℃，而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。温度检测技术将会由点测量发展到线、面、甚至立体的测量。应用范围将同工业领域延伸到环境保护，家用器、汽车工业及航天工业领域。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。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[14-15]参考文献[1]陈卫兵,彭志香等.一种无线温度传感器的设计与实现[J].湖南工业大学学报,2012,5,26(3):88-90.[2]曹海平.基于单片机和DS18B20的分布式多点温度检测系统的设计[J].自动化技术与应用,2008,11,27(11):123-127.[3]招惠玲,秦淑娟.热敏电阻器温度特性曲线的线性化[J].传感器技术,2003,7,22(7):44-47.[4]袁德昌.热敏电阻器的分类及应用[J].电子元器件应用.2003,9,5(9):24-26.[5]肖站,国海峰.高精度RTD温度检测系统设计[J].哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,2009,4,(1):55-58.[6]杨庆柏,任海燕.N型热电偶传感器及其应用[J].传感器世界,2000,8,(8):22-27.[7]夏敖敖,谈增师.热电偶传感器的教学探讨[J].常州信息职业技术学院学报,2006,3,(01):57-61.[8]王惠秋,高希玉等.IC温度传感器及其应用[J].电测与仪表,1985,5,(5):36-38.[9]霍莉.IC温度传感器在电子系统保护中的应用[J].传感器世界,1997,10,(10):24-28.[10]SivaVelusamy,JohnLach.MonitoringTemperatureinFPGAbasedSoCs[J].DepartmentsofComputerScience,andElectricalandComputerEngineeringUniversityofVirginia,2005,10,(02):634-637.[11]陈跃东.DS18B20集成温度传感器原理及其应用[J].安徽机电学院学报,2002,12,(4):34-38.[12]陈永信.温度传感器的选择策略[J].