溫度傳感器分類

溫度傳感器是檢測溫度的器件，其種類最多，應(yīng)用最廣，發(fā)展最快。眾所周知，日常使用的材料及電子元件大部分特性都隨溫度而變化，在此我們暫時介紹最常用的熱電阻和熱電偶兩類產(chǎn)品。

??? 1.熱電偶的工作原理

??? 當有兩種不同的導體和半導體A和B組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，另一端溫度為TO，稱為自由端(也稱參考端)或冷端，則回路中就有電流產(chǎn)生，如圖2-1(a)所示，即回路中存在的電動勢稱為熱電動勢。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。與塞貝克有關(guān)的效應(yīng)有兩個：其一，當有電流流過兩個不同導體的連接處時，此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方向)，稱為珀爾帖效應(yīng)；其二，當有電流流過存在溫度梯度的導體時，導體吸收或放出熱量(取決于電流相對于溫度梯度的方向)，稱為湯姆遜效應(yīng)。兩種不同導體或半導體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢EAB(T，T0)是由接觸電勢和溫差電勢合成的。接觸電勢是指兩種不同的導體或半導體在接觸處產(chǎn)生的電勢，此電勢與兩種導體或半導體的性質(zhì)及在接觸點的溫度有關(guān)。溫差電勢是指同一導體或半導體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢，此電勢只與導體或半導體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導體的長度、截面大小、沿其長度方向的溫度分布無關(guān)。無論接觸電勢或溫差電勢都是由于集中于接觸處端點的電子數(shù)不同而產(chǎn)生的電勢，熱電偶測量的熱電勢是二者的合成。當回路斷開時，在斷開處a，b之間便有一電動勢差△V，其極性和大小與回路中的熱電勢一致，如圖2-1(b)所示。并規(guī)定在冷端，當電流由A流向B時，稱A為正極，B為負極。實驗表明，當△V很小時，△V與△T成正比關(guān)系。定義△V對△T的微分熱電勢為熱電勢率，又稱塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)的符號和大小取決于組成熱電偶的兩種導體的熱電特性和結(jié)點的溫度差。

??? 2.熱電偶的種類

??? 目前，國際電工委員會（IEC）推薦了8種類型的熱電偶作為標準化熱電偶，即為T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。

??? 熱電阻

??? 1.熱電阻材料的特性

??? 導體的電阻值隨溫度變化而改變，通過測量其阻值推算出被測物體的溫度，利用此原理構(gòu)成的傳感器就是電阻溫度傳感器，這種傳感器主要用于-200—500℃溫度范圍內(nèi)的溫度測量。

??? 純金屬是熱電阻的主要制造材料，熱電阻的材料應(yīng)具有以下特性：

??? ①電阻溫度系數(shù)要大而且穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系。
??? ②電阻率高，熱容量小，反應(yīng)速度快。
??? ③材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，價格低。
??? ④在測溫范圍內(nèi)化學物理特性穩(wěn)定。

??? 目前，在工業(yè)中應(yīng)用最廣的鉑和銅，并已制作成標準測溫熱電阻。

??? 2．鉑電阻

??? 鉑電阻與溫度之間的關(guān)系接近于線性，在0～630.74℃范圍內(nèi)可用下式表示Rt＝R0(1+At+Bt2) (2-1)在-190～0℃范圍內(nèi)為Rt＝R0(1+At+Bt2十Ct3) (2-2)式中，RO、Rt為溫度0°及t°時鉑電阻的電阻值，t為任意溫度，A、B、C為溫度系數(shù)，由實驗確定，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，當R0值不同時，在同樣溫度下，其Rt值也不同。

??? 3．銅電阻

??? 在測溫精度要求不高，且測溫范圍比較小的情況下，可采用銅電阻做成熱電阻材料代替鉑電阻。在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度成線性關(guān)系，其電阻與溫度關(guān)系的表達式為Rt＝R0(1+At) (2-3)式中，A＝4.25×10-3～4.28×10-3℃為銅電阻的溫度系數(shù)

按照溫度傳感器輸出信號的模式，可大致劃分為三大類：數(shù)字式溫度傳感器、邏輯輸出溫度傳感器、模擬式溫度傳感器。

? 一、模擬溫度傳感器

? 傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器，如熱電偶、熱敏電阻和RTDS對溫度的監(jiān)控，在一些溫度范圍內(nèi)線性不好，需要進行冷端補償或引線補償；熱慣性大，響應(yīng)時間慢。集成模擬溫度傳感器與之相比，具有靈敏度高、線性度好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，而且它還將驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有實際尺寸小、使用方便等優(yōu)點。常見的模擬溫度傳感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103電壓輸出型、AD590電流輸出型。這里主要介紹該類器件的幾個典型。

? 1、AD590溫度傳感器

? AD590是美國模擬器件公司的電流輸出型溫度傳感器，供電電壓范圍為3~30V，輸出電流223μA（-50℃）~423μA（+150℃），靈敏度為1μA/℃。當在電路中串接采樣電阻R時，R兩端的電壓可作為喻出電壓。注意R的阻值不能取得太大，以保證AD590兩端電壓不低于3V。AD590輸出電流信號傳輸距離可達到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達20MΩ，所以它不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換器所引入的附加電阻造成的誤差。適用于多點溫度測量和遠距離溫度測量的控制。

? 2、LM135/235/335溫度傳感器

? LM135/235/335系列是美國國家半導體公司（NS）生產(chǎn)的一種高精度易校正的集成溫度傳感器，工作特性類似于齊納穩(wěn)壓管。該系列器件靈敏度為10mV/K，具有小于1Ω的動態(tài)阻抗，工作電流范圍從400μA到5mA，精度為1℃，LM135的溫度范圍為-55℃~+150℃，LM235的溫度范圍為-40℃~+125℃，LM335為-40℃~+100℃。封裝形式有TO-46、TO-92、SO-8。該系列器件廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫差測量以及溫度補償系統(tǒng)中。

? 二、邏輯輸出型溫度傳感器

? 在許多應(yīng)用中，我們并不需要嚴格測量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了一個設(shè)定范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報警信號，啟動或關(guān)閉風扇、空調(diào)、加熱器或其它控制設(shè)備，此時可選用邏輯輸出式溫度傳感器。LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。

? 1、LM56溫度開關(guān)

? LM56是NS公司生產(chǎn)的高精度低壓溫度開關(guān)，內(nèi)置1.25V參考電壓輸出端。最大只能帶50μA的負載。

? 電源電壓從2.7~10V，工作電流最大230μA，內(nèi)置傳感器的靈敏度為6.2mV/℃，傳感器輸出電壓為6.2mV/℃×T+395mV。

? 2、MAX6501/02/03/04溫度監(jiān)控開關(guān)

? MAX6501/02/03/04是具有邏輯輸出和SOT-23封裝的溫度監(jiān)視器件開關(guān)，它的設(shè)計非常簡單：用戶選擇一種接近于自己需要的控制的溫度門限（由廠方預(yù)設(shè)在-45℃到+115℃，預(yù)設(shè)值間隔為10℃）。直接將其接入電路即可使用，無需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503為漏極開路低電平報警輸出，MAX6502/MAX6504為推/拉式高電平報警輸出，MAX6501/MAX6503提供熱溫度預(yù)置門限（35℃到+115℃），當溫度高于預(yù)置門限時報警；MAX6502/MAX6504提供冷溫度預(yù)置門限（-45℃到+15℃），當溫度低于預(yù)置門限時報警。 對于需要一個簡單的溫度超限報警而又空間有限的應(yīng)用如筆記本電腦、蜂窩移動電話等應(yīng)用來說是非常理想的，該器件的典型溫度誤差是±0.5℃，最大±4℃，滯回溫度可通過引腳選擇為2℃或10℃，以避免溫度接近門限值時輸出不穩(wěn)定。這類器件的工作電壓范圍為2.7V到5.5V，典型工作電流30μA。

? 三、數(shù)字式溫度傳感器

? 1、MAX6575/76/77 數(shù)字溫度傳感器

? 如果采用數(shù)字式接口的溫度傳感器，上述設(shè)計問題將得到簡化。同樣，當A/D和微處理器的I/O管腳短缺時，采用時間或頻率輸出的溫度傳感器也能解決上述測量問題。以MAX6575/76/77系列SOT-23封裝的溫度傳感器為例，這類器件可通過單線和微處理器進行溫度數(shù)據(jù)的傳送，提供三種靈活的輸出方式--頻率、周期或定時，并具備±0.8℃的典型精度，一條線最多允許掛接8個傳感器，150μA典型電源電流和2.7V到5.5V的寬電源電壓范圍及-45℃到+125℃的溫度范圍。它輸出的方波信號具有正比于絕對溫度的周期，采用6腳SOT-23封裝，僅占很小的板面。該器件通過一條I/O與微處理器相連，利用微處理器內(nèi)部的計數(shù)器測出周期后就可計算出溫度。

? 2、可多點檢測、直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器DS1612

? DS1612是美國達拉斯半導體公司生產(chǎn)的CMOS數(shù)字式溫度傳感器。內(nèi)含兩個不揮發(fā)性存儲器，可以在存儲器中任意的設(shè)定上限和下限溫度值進行恒溫器的溫度控制，由于這些存儲器具有不揮發(fā)性，因此一次定入后，即使不用CPU也仍然可以獨立使用。

? 溫度測量原理和精度：在芯片上分別設(shè)置了一個振蕩頻率溫度系數(shù)較大的振蕩器（OSC1）和一個溫度系數(shù)較小的振蕩器（OSC2）。在溫度較低時，由于OSC2的開門時間較短，因此溫度測量計數(shù)器計數(shù)值（n）較小；而當溫度較高時，由于OSC2的開門時間較長，其計數(shù)值（m）增大。

? 如果在上述計數(shù)值基礎(chǔ)上再加上一個同實際溫度相差的校正數(shù)據(jù)，就可以構(gòu)成一個高精度的數(shù)字溫度傳感器。該公司將這個校正值定入芯片中的不揮發(fā)存儲器中，這樣傳感器輸出的數(shù)字量就可以作為實際測量的溫度數(shù)據(jù)，而不需要再進行校準。它可測量的溫度范圍為-55℃~+125℃，在0℃~+70℃范圍內(nèi)，測量精度為±0.5℃，輸出的9位編碼直接與溫度相對應(yīng)。

? DS1621同外部電路的控制信號和數(shù)據(jù)的通信是通過雙向總線來實現(xiàn)的，由CPU生成串行時鐘脈沖（SCL），SDA是雙向數(shù)據(jù)線。通過地址引腳A0、A1、A2將8個不同的地址分配給各器件。通過設(shè)定寄存器來設(shè)置工作方式，并對工作狀態(tài)進行監(jiān)控。被測的溫度數(shù)據(jù)被存儲在溫度傳感器寄存器中，高溫（TH）和低溫（TL）閾值寄存器存儲了恒溫器輸出（Tout）的閾值。

? 現(xiàn)在，各種集成的溫度傳感器的功能越來越專業(yè)化。比如，MAXIM公司近期推出的MAX1619是一種增強型精密遠端數(shù)字溫度傳感器，能夠監(jiān)測遠端P-N結(jié)和其自身封裝的溫度。 它具有雙報警輸出：ALERT和OVERT。ALERT用于指示各 傳感器的高/低溫狀態(tài)，OVERT信號等價于一個自動調(diào)溫器，在遠端溫度傳感器超上限時觸發(fā)，MAX1619與MAX1617A完全軟件兼容，非常適合于系統(tǒng)關(guān)斷或風扇控制，甚至在系統(tǒng)“死鎖”后仍能正常工作。美國達拉斯半導體公司的DS1615是有記錄功能的溫度傳感器。器件中包含實時時鐘、數(shù)字式溫度傳感器、非易失性存儲器、控制邏輯電路以及串行接口電路。數(shù)字溫度傳感器的測量范圍為-40℃~+85℃，精度為±2℃，讀取9位時的分辨率是0.03125℃。時鐘提供的時間從秒至年月，并對到2100年以前的閏年作了修正。電源電壓為2.2V~5.5V，8腳SOIC封裝。DS17775是數(shù)字式溫度計及恒溫控制器集成電路。其中包含數(shù)字溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字寄存器、恒溫控制比較器以及兩線串行接口電路。供電電壓在3V至5V時的測量溫度精度為±2℃，讀取9位時的分辨率是0.5℃，讀取13位時的分辨率是0.03125℃。