溫度傳感器分類

溫度傳感器是檢測(cè)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(shí)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(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體和半導(dǎo)體A和B組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)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(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。這種由于溫度不同而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)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(gè)：其一，當(dāng)有電流流過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體的連接處時(shí)，此處便吸收或放出熱量(取決于電流的方向)，稱為珀?duì)柼?yīng)；其二，當(dāng)有電流流過(guò)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體吸收或放出熱量(取決于電流相對(duì)于溫度梯度的方向)，稱為湯姆遜效應(yīng)。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。熱電偶的熱電勢(shì)EAB(T，T0)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)合成的。接觸電勢(shì)是指兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體在接觸處產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)與兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)及在接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。溫差電勢(shì)是指同一導(dǎo)體或半導(dǎo)體在溫度不同的兩端產(chǎn)生的電勢(shì)，此電勢(shì)只與導(dǎo)體或半導(dǎo)體的性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、截面大小、沿其長(zhǎng)度方向的溫度分布無(wú)關(guān)。無(wú)論接觸電勢(shì)或溫差電勢(shì)都是由于集中于接觸處端點(diǎn)的電子數(shù)不同而產(chǎn)生的電勢(shì)，熱電偶測(cè)量的熱電勢(shì)是二者的合成。當(dāng)回路斷開(kāi)時(shí)，在斷開(kāi)處a，b之間便有一電動(dòng)勢(shì)差△V，其極性和大小與回路中的熱電勢(shì)一致，如圖2-1(b)所示。并規(guī)定在冷端，當(dāng)電流由A流向B時(shí)，稱A為正極，B為負(fù)極。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)△V很小時(shí)，△V與△T成正比關(guān)系。定義△V對(duì)△T的微分熱電勢(shì)為熱電勢(shì)率，又稱塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)的符號(hào)和大小取決于組成熱電偶的兩種導(dǎo)體的熱電特性和結(jié)點(diǎn)的溫度差。

??? 2.熱電偶的種類

??? 目前，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦了8種類型的熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過(guò)測(cè)量其阻值推算出被測(cè)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(cè)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(jià)格低。
??? ④在測(cè)溫范圍內(nèi)化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娮琛?br>
??? 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(shí)鉑電阻的電阻值，t為任意溫度，A、B、C為溫度系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)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(dāng)R0值不同時(shí)，在同樣溫度下，其Rt值也不同。

??? 3．銅電阻

??? 在測(cè)溫精度要求不高，且測(cè)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(dá)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(hào)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(duì)溫度的監(jiān)控，在一些溫度范圍內(nèi)線性不好，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償或引線補(bǔ)償；熱慣性大，響應(yīng)時(shí)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(diǎn)，而且它還將驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有實(shí)際尺寸小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。常見(jiàn)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(gè)典型。

? 1、AD590溫度傳感器

? AD590是美國(guó)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(dāng)在電路中串接采樣電阻R時(shí)，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(hào)傳輸距離可達(dá)到1km以上。作為一種高阻電流源，最高可達(dá)20MΩ，所以它不必考慮選擇開(kāi)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(diǎn)溫度測(cè)量和遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量的控制。

? 2、LM135/235/335溫度傳感器

? LM135/235/335系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(dòng)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(cè)量、溫差測(cè)量以及溫度補(bǔ)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(yán)格測(cè)量溫度值，只關(guān)心溫度是否超出了一個(gè)設(shè)定范圍，一旦溫度超出所規(guī)定的范圍，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其它控制設(shè)備，此時(shí)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(kāi)關(guān)

? LM56是NS公司生產(chǎn)的高精度低壓溫度開(kāi)關(guān)，內(nèi)置1.25V參考電壓輸出端。最大只能帶50μA的負(fù)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(kāi)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(kāi)關(guān)，它的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)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(wú)需任何外部元件。其中MAX6501/MAX6503為漏極開(kāi)路低電平報(bào)警輸出，MAX6502/MAX6504為推/拉式高電平報(bào)警輸出，MAX6501/MAX6503提供熱溫度預(yù)置門限（35℃到+115℃），當(dāng)溫度高于預(yù)置門限時(shí)報(bào)警；MAX6502/MAX6504提供冷溫度預(yù)置門限（-45℃到+15℃），當(dāng)溫度低于預(yù)置門限時(shí)報(bào)警。 對(duì)于需要一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度超限報(bào)警而又空間有限的應(yīng)用如筆記本電腦、蜂窩移動(dòng)電話等應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(guò)引腳選擇為2℃或10℃，以避免溫度接近門限值時(shí)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(jì)問(wèn)題將得到簡(jiǎn)化。同樣，當(dāng)A/D和微處理器的I/O管腳短缺時(shí)，采用時(shí)間或頻率輸出的溫度傳感器也能解決上述測(cè)量問(wèn)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(guò)單線和微處理器進(jìn)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(shí)，并具備±0.8℃的典型精度，一條線最多允許掛接8個(gè)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(hào)具有正比于絕對(duì)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(guò)一條I/O與微處理器相連，利用微處理器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器測(cè)出周期后就可計(jì)算出溫度。

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

? DS1612是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS數(shù)字式溫度傳感器。內(nèi)含兩個(gè)不揮發(fā)性存儲(chǔ)器，可以在存儲(chǔ)器中任意的設(shè)定上限和下限溫度值進(jìn)行恒溫器的溫度控制，由于這些存儲(chǔ)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(dú)立使用。

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

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

? DS1621同外部電路的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的通信是通過(guò)雙向總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由CPU生成串行時(shí)鐘脈沖（SCL），SDA是雙向數(shù)據(jù)線。通過(guò)地址引腳A0、A1、A2將8個(gè)不同的地址分配給各器件。通過(guò)設(shè)定寄存器來(lái)設(shè)置工作方式，并對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。被測(cè)的溫度數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在溫度傳感器寄存器中，高溫（TH）和低溫（TL）閾值寄存器存儲(chǔ)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(lái)越專業(yè)化。比如，MAXIM公司近期推出的MAX1619是一種增強(qiáng)型精密遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器，能夠監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)端P-N結(jié)和其自身封裝的溫度。 它具有雙報(bào)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(hào)等價(jià)于一個(gè)自動(dòng)調(diào)溫器，在遠(yuǎn)端溫度傳感器超上限時(shí)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(fēng)扇控制，甚至在系統(tǒng)“死鎖”后仍能正常工作。美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司的DS1615是有記錄功能的溫度傳感器。器件中包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)字式溫度傳感器、非易失性存儲(chǔ)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(cè)量范圍為-40℃~+85℃，精度為±2℃，讀取9位時(shí)的分辨率是0.03125℃。時(shí)鐘提供的時(shí)間從秒至年月，并對(duì)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(jì)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(shí)的測(cè)量溫度精度為±2℃，讀取9位時(shí)的分辨率是0.5℃，讀取13位時(shí)的分辨率是0.03125℃。