温度传感器的新发展

温度传感器的新发展

王晓越 100205011113

摘要: 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器.根据调查，温度传感器的市场份额大大超过

了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的,这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。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。

关键字:温度 温度传感器 发展进程 新发展

一、温度的概念

温度（temperature）是国际单位制中一个基本物理量.

温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示,分子运动愈激烈其温度表现越强烈；温度的宏观概念是冷热程度的表示,即为互为热平衡的两物体，其温度相等。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，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。目前国际上用得较多的温标有华氏温标,摄氏温标，热力学温标。自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度密切相关，因此温度是日常生活、科学试验以及工农业生产中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。

二、温度传感器

温度传感器是把温度信号转换为与之有确定对应关系电信号的一种信号转换装置，也是开发最早，应用最广的一类传感器。现有技术的温度传感器主要分为两类。一类是机械温度传感器，其工作原理是利用材料热胀冷缩的物理性质，在一定温度条件下使测温材料产生形变，自动连通或断开电路使电器启动或者停机；由此可见这是突变。另一种温度传感器则是利用半导体器件的热敏特性而设计,温度变化时，热敏电阻的阻值改变，导致热敏电阻所在电路的电参数

温度传感器的新发展

改变，从而输出相应的电信号。因此这是渐变。同时也可以细分为四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。

结合了微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的智能温度传感器(亦称数字温度传感器)问世于20世纪90年代中期。他较普通的温度传感器更能体现出自动化的特点。目前国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品.智能温度传感器的组成部分有温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带中央控制器(CPU）、多路选择器、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）.

三、温度传感器发展历程

根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始,人们开始利用温度进行测量.真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十多年之后,德国人西门子发明了铂电阻温度计。基于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.相应的是,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。

近百年来温度传感器的发展大概经历了下面三个阶段;（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件)；(2）模拟集成温度传感器或控制器;(3）智能温度传感器.而现代信息技术的三大基础是：信息采集(传感器技术)、信息传输(通信技术)、信息处理（计算机技术）。传感器本就是信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域

数量之多位居各种传感器之首。目前新型温度传感器正从模拟式向、由集成化向智能化、

网络化的方向发展

温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段

温度传感器的新发展

（一）传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换热。也称之电偶传感器。热电偶传感器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

（二）模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因而又称单片集成温度传感器或者硅传感器或.模拟集成温度传感器问世于20世纪80年代,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的专用IC。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.目前在国内外应用作为普遍的一种集成传感器,典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等（以AD590为例）

AD590是电型温度传感器,通过对电流的测量和得到所需要的温度值。根据特性分档,AD590的后缀以I、J、K、L、M表示.AD590L，AD590M一般用于精密度测量电路。AD590是利用正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源.该器件具有良好的线性和互换性，测量精密度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在5到15V之间变化，其电流只在1uA以下微笑变化.

（三）智能温度传感器，能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。网络化与自动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，从而大大简化了连接线路，易于系统的维护和扩充。

四、温度传感器的新发展

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。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。

1．提高测温精度和分辨力

温度传感器的新发展

最早推出的智能温度传感器大概出自于21世纪90年代中期.采用的是8位A/D转换器，它的测温精度比较低，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9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5～0。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.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27μs、9μs

2．增加测试功能

温度传感器的测试功能也在随着技术的改进不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加的完善.DS1624还增加了一定的存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器,可存储用户的短信息.

新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强，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，操作非常简单灵活。对某些智能温度传感器而言，主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,构成一个智能化温控系统的整体；它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪.

3．总线技术的标准化与规范化

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

4．可靠性及安全性设计

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.新型智能温度传感器(例如TMP03/204、LM74、LM83）普遍采用了高性能的∑—

温度传感器的新发展

Δ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;由于采用了数字反馈方式，比较器的失调电压及零点漂移对温度的转换精度不会造成很大影响。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、成本低廉等优点。为了减少在温控系统受到噪声干扰时产生误动作的可能性,在AD7416/7817/7417、LM75/76、MAX6625/6626等智能温度传感器内部，都设置了一个可编程的“故障排队（fault queue）”计数器，专门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=1～4）时，中断端才会被出发。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定n=3时，那么偶然受到一次或两次噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。

5.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(外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654)，分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624）。

6.为了防止因人体静电放电而损坏芯片，一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路。一般可承受1000～4000V的静电放电电压。将人体等效于由100pF电容1.2kΩ电阻串联而成的电路模型，人体放电时,TCN75型智能温度传感器的串行接口端、中断/比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压。最新开发的智能温度传感器还增加了新的功能.即能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障的传感器故障检测功能。此外，MAX6654还具有选择“寄存阻抗抵消”模式，可以抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差。即使引线阻抗达到100Ω，测量精度的影响也很大。远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。 五、总结

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:

温度传感器的新发展

扩展测温范围、提高测量精度、扩大测温对象、发展新产品，满足特殊需要、显示数字化、检定自动化。

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，而目前工业常用的测温范围为-200℃—3000℃仍有待改良.电子技术的不断发展，使得信号处理仪表的精度有了很大提高，特别是微型计算机的使用使得对信号的处理精度更精确。此外，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在温度测量中，除了进一步扩展与完善热电阻，以及晶体管测温元件、快速高灵敏度的普通热电偶外，还根据被测对象的环境，提出了更多特殊的要求。如防硫、防爆、耐磨的热电偶，钢水连续测温，火焰温度测量等。温度仪表不仅具有读数直观、分辨率高、测量误差小的特点，而且更加方便于温度仪表的智能化。

六、参考文献

沙占友《智能化集成温度传感器原理与应用》 机械工业出版社。 2002—7-1 沙占友《智能化温度传感器的原理与应用》 集成电路通讯。2001

刘畅生，于建国，张昌民《传感器简明手册及应用电路》《温度传感器分册.上下册》 西安电子科技大学出版社.2006

李学玲,刘金伟《浅析温度传感器》 文章编号: 1006—7981( 2012) 04—0055—01