温度传感器原理及运用

2017-06-20 00:11分类：电子元器件阅读：

温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业出产进程中一个很首要而广泛的丈量参数。温度的丈量及操控对确保商质量量、跋涉出产功率、节约动力、出产安全、推进国民经济的翻开起到十分首要的效果。因为温度丈量的广泛性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%。
温度传感器是经过物体随温度改动而改动某种特性来直接丈量的。不少材料、元件的特性都随温度的改动而改动，所以能作温度传感器的材料恰当多。温度传感器随温度而致使物理参数改动的有：胀大、电阻、电容、而电动势、磁功用、频率、光学特性及热噪声等等。跟着出产的翻开，新式温度传感器还会不断出现。
因为工农业出产中温度丈量的计划极宽，从零下几baidu到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在推重的温度计划内运用。常用的测温传感器的品种与测温计划如下表所示。

测温传感器的品种与测温计划
丈量原理	品种	测温计划（1℃）	特征
体积热胀大	玻璃制水银温度计	-20—+350	不需求用电
	玻璃制有机液体温度计	-100—+100
	双金属温度计	0—+300
	液体压力温度计	-200—+350
	气体压力温度计	-250—+550
电阻改动	铜电阻	-50—+150	精度中等，报价低
	铂电阻	-200—+600	精度高，报价贵
	热敏电阻	低温-200—0	精度低，活络度高，报价最低
		通常-50—+30
		中温0—+700
热电效应	镍铬—考铜	0500(-200—+800)	丈量计划宽，精度高，需求冷端抵偿
	镍铬—镍硅	0800(-200—+1250)
	铂铑10—铂	200—1400(0—1700)
	铂铑30—铂铑	200—1500(100—1900)
P—N结结电压改动	半导体二极管	-150—+150(Si)	活络度高，线性度好，二极管一类报价低
晶体管特性改动	晶体管	150—+150
晶体管特性改动	半导体集成电路	-40—+150
压电反响	石英晶体振动器	-100—+200	可作规范运用
频率改动	SAW振动元件	0—+200	可作规范运用
光学改动	光学高温度计	900—+2000	非触摸丈量
热辐射	辐射源温度传感器	100—+2000	非触摸丈量
磁性改动	热铁素体	-80—+150	在特定温度下改动
磁性改动	Fe-Ni-Cu合金	0—350	在特定温度下改动
电容改动	BaSrT2O3陶瓷	-270—+150	温度与电容是倒数联络
物质色彩	示温涂料	0—1300	查看温度不接连
物质色彩	液晶	0—100	色彩接连改动

温度传感器与被测介质的触摸办法分为两大类：触摸式和非触摸式。触摸式温度传感器需求与被测介质坚持热触摸，使两者进行充沛的热沟通而抵达同一温度。这一类传感器首要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非触摸式温度传感器无需与被测介质触摸，而是经过被测介质的热辐射或对撒播到温度传感器，以抵达测温的意图。这一类传感器首要有红外测温传感器。这种测温办法的首要特征是能够丈量运动状况物质的温度（如慢速行使的火车的轴承温度，旋转着的水泥窑的温度）及热容量小的物体（如集成电路中的温度散布）。
温度传感器的品种较多，咱们介绍几种首要的温度传感器及运用电路。

PN结温度传感器

作业原理
晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而改动的。例如硅管的PN结的结电压在温度每添加1℃时，降低-2mV，运用这种特性，通常能够直接选用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或选用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，规范小，其热时刻常数为0.2—2秒，活络度高。测温计划为-50—+150℃。典型的温度曲线如图1所示。同类型的二极管或三极管特性不彻底准则，因而它们的沟通性较差。

运用电路(一)
图（2）是选用PN结温度传感器的数字式温度计，测温计划-50—150℃，分辩率为0.1℃,在0—100℃计划内精度可达±1℃。
图中的R1，R2，D，W1构成测温电桥，其输出信号接差动拓宽器A1，经拓宽后的信号输入0—±2.000V数字式电压表（DVM）闪现。拓宽后的活络度10mV/℃。A2接成电压跟从器。与W2协作可调度拓宽器A1的增益。

经过PN结温度传感器的作业电流不能过大，废寝忘食二极管自身的温升影响丈量精度。通常作业电流为100—300mA。选用恒流源作为传感器的作业电流较为杂乱，通常选用恒压源供电，但有必要有较好的稳压精度。
准确的电路调整十分首要，能够选用广口瓶装入碎冰渣（带水）作为0℃的规范，选用恒温水槽或油槽及规范温度计作为100℃或其它温度规范。在没有恒水槽时，可用沸水作为100℃的规范（因为各地的气压禁绝则，其沸点不推重是100℃，可用0—100℃的水银温度计来校准）。

将PN结传感器刺进碎冰渣广口瓶中，等温度平衡，调整W1，使DVM闪现为0V，将PN结传感器刺进沸水中（设沸水为100℃），调整W2，使DVM完结为100.0V，若沸水温度不是100℃时，可依照水银温度计上的读数调整W2，使DVM闪现值与水银温度计的数值持平。再将传感器刺进0℃环境中，等平衡后看闪现是不是仍为0V，必要时再调整W1使之为0V，然后再刺进沸水，看是不是与水银温度计计数持平，经过几回重复调整即可。
图中的DVM是通用3位半数字电压表模块MC14433，能够装入外表及操控体系中作闪现器。MC14433的运用电路可参看本网站的常用A/D改换器中的技能手册。它的首要技能方针如下：
根柢量程：±1.999V(2V)
线性过失：该读数的0.05%±1字
电源：5—7.5V单电源
均匀功耗：300mW
过量程时：数字闪耀
DU脚接地时：数据可坚持

运用电路(二)
下面咱们来看看运用不带A/D改换器的单片机完结测温的运用电路。
这儿咱们选用内带一个模仿比照拓宽器的AT89C2051单片机来完结这一功用，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位单片机，内带2k的Flash程序存储器，128字节的内部RAM,具有15个I/O口，6个接连源，只需20个引脚，报价也恰当廉价，可谓价廉物美的单片机。具体的材料可拜见本网站的“ATMEL单片机”中的AT89C2051。其间内含一个模仿比照拓宽器，P1.0是比照拓宽器的同相输入端，P1.1是比照拓宽器的反相输入端，这两个输入输出口内部并没有上拉电阻，比照拓宽器的输出端连至P3.6，也没有引出，但可用指令拜访该引脚。

在该单片机外接RC元件即可构成简略的，低精度的A/D改换电路，电路如图3所示，P1.0（同相端）接上RC充放电阻和电容，P1.1（反相端）作为外部被测温度电压的输入端，作为PN结温度传感器，自身输出电压较低，可参照上一节咱们给出的拓宽电路，温度传感电压经拓宽后再引至单片机的输入端。P1.2充放电操控端经过一个数kΩ的电阻接正电源Vcc，因为R1远小于R2，能够以为在P1.2输出逻辑高电往常，电压是恰当挨近Vcc高电平的。
电路作业进程如下：程序开端时，先置P1.2为逻辑低电平，并延时一小段时刻，使P1.2为低电平，电容C经R2放完电，此刻，P1.0=0V，而P1.1>0V,比照拓宽器输出“0”电平，接着置P1.2为高电平，一同守时器开端计时，当电容C上的电压Vc充到Vc=Vx时，P1.0与P1.1的电位持平，比照拓宽器的同相端和反相端电平持往常，输出端P3.6输出高电平，当扫描查询到P3.6为高电往常即接连计时，那么只需测得开端对电容充电到P3.6输出高电平的时刻，经过换算即可得到外部被测温度电压的值。
这儿需求指出，从图4中咱们能够看到，电容器的充电进程并非线性，其充电进程能够描写为：

这个非线性特性，咱们在单片机编程时，能够经过抵偿和校对的办法加以处理，最常用的办法也是最简略的办法是经过查表的办法进行批改。这么便可满意一种低精度简练的温度丈量恳求。