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溫度傳感器工作原理
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溫度傳感器工作原理
溫度傳感器是檢測(cè)溫度的器件，其種類(lèi)zui多，應(yīng)用zui廣，發(fā)展zui快。*，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zui常用的熱電阻和熱電偶兩類(lèi)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(chēng)為工作端或熱端，另一端溫度為TO，稱(chēng)為自由端（也稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)為湯姆遜效應(yīng)。兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的組合稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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(lèi)
目前，電工委員會(huì)（IEC）推薦了8種類(lèi)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(xiàn)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zui廣的鉑和銅，并已制作成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娮琛?/span> 2．鉑電阻
鉑電阻與溫度之間的關(guān)系接近于線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)：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(xiàn)性不好，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償或引線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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，zui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(lèi)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。zui大只能帶50μA的負(fù)載。 電源
電壓從2.7~10V，工作電流zui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SO
T-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(hù)選擇一種接近于自己需要的控制的溫度門(mén)限（由廠(chǎng)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(mén)限（35℃到+115℃），當(dāng)溫度高于預(yù)置門(mén)*報(bào)警；MAX6502/MAX6504提供冷溫度預(yù)置門(mén)限（-45℃到+15℃），當(dāng)溫度低于預(yù)置門(mén)*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℃，zui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(mén)限值時(shí)輸出不穩(wěn)定。這類(lèi)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(lèi)器件可通過(guò)單線(xiàn)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(xiàn)zui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(mén)時(shí)間較.