第11章温度传感器

1、主要内容：主要内容： 概述概述概述概述 根据所用测温物质根据所用测温物质的不同和测温范围不的不同和测温范围不同，有煤油温度计、同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温酒精温度计、水银温度计、气体温度计、度计、气体温度计、电阻温度计、温差温电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、度计、辐射温度计、光测温度计等等。光测温度计等等。 温度传感器的种类很多，按价格和性能可分为：温度传感器的种类很多，按价格和性能可分为： 热膨胀热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温温度传感器，有液体、气体的玻璃式温度度 计、计、 体温计，结构简单，应用较广泛；体温计，结构简单，应用较广泛； 家电、汽车家电、汽车上使用的温度传

2、感器，价格便宜、上使用的温度传感器，价格便宜、用用 量大、成本低、性能差别不大；量大、成本低、性能差别不大； 工业工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较上使用的温度传感器，性能价格差别比较大，大， 因为传感器的精度直接关系到产品质量和控制因为传感器的精度直接关系到产品质量和控制 过程，通常价格比较昂贵。过程，通常价格比较昂贵。 概述概述概述概述各种热电偶各种热电偶概述概述各种热电阻各种热电阻概述概述()lnAA BBNK TETeN 冷端冷端接触电势接触电势：00()lnAA BBK TNETeN、式中：式中： A A、B B 代表不同材料；代表不同材料； T T，T0 T0 为两端温度；为

3、两端温度； K波尔兹曼常数；波尔兹曼常数； e电子电荷量；电子电荷量； BNAN是是A A、B B材料的电子浓度；材料的电子浓度；0lnAABBNKETTeN 对对单一金属单一金属如果两边温度不同，两端有温度梯度，如果两边温度不同，两端有温度梯度， 两端也产生温差电动势；两端也产生温差电动势； 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具 有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失 去电子带正电，低温端得到电子带负电。去电子带正电，低温端得到电子带负电。 ( 2 ) 单一导体的温差电势（汤姆逊电势）单一导体的温差

4、电势（汤姆逊电势） A A、B B 两导体构成闭合回路总的温差电势为两导体构成闭合回路总的温差电势为：000,()TABABTeT TeT TdT 00,TBBTeTTtd T单一导体的温差电势为：单一导体的温差电势为：000,()TABABABABTET TETETdT根据两导体的接触电势和单一导体温差电势根据两导体的接触电势和单一导体温差电势 热电偶总的热电势为：热电偶总的热电势为：式中：式中： 是泽贝克系数，是泽贝克系数， 是温度和位置的函数。是温度和位置的函数。AB 00,TAATeTTtd T000,ln()TAA BABTBNKETTTTd TeNv热电偶总的热电势为：热电偶总的热

5、电势为：000,A B CA BB CC AET TETETET：0TT设设 00ABCET 000BCCAABETETET代入上式有：代入上式有： 000,ABCABABABET TETETET T 000,ABCABABABET TETETET TT测量仪器测量仪器,ABCET T与与 0,ABCET T的代数和，即：的代数和，即：0,0,ABABCABCET TET TETT 实际测量时，利用这一性实际测量时，利用这一性 质，对参考端温度不为零质，对参考端温度不为零 度时的热电势以及冷端延度时的热电势以及冷端延 伸引线进行修正和补偿。伸引线进行修正和补偿。(2) v 热电偶可以测量上千度

6、高温，并且精度高、热电偶可以测量上千度高温，并且精度高、 性能好，这是其它温度传感器无法替代的。性能好，这是其它温度传感器无法替代的。 普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构； 薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄；薄膜热电偶，用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄； 铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；铠装热电偶，用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲； 表面热电偶，用于弧形表面物体测温；表面热电偶，用于弧形表面物体测温； 消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。消耗式热电偶，主要用于钢水温度测量。a)a)普通热电偶普通热电偶

7、 b)b)薄膜热电偶薄膜热电偶 c)c)铠装热电偶铠装热电偶00, 0, 0A BA BA BEtEt tEt更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 0R应用应用更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 0R应用应用贴片式贴片式薄膜式薄膜式 大功率大功率 更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ -200-200OO +0+0850850 2301100tRRAtBtCtt201tRRAtBt式中：式中： 0RtR为温度为温度 00 C和和 0tC时的电阻值，时的电阻值，A、B、C 为常数；

8、为常数；ITS90中中 常数规定见常数规定见P229。更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 分度号分别为：分度号分别为： Pt10 Pt100,见分度表见分度表0010100RR为为 的的公称值，公称值，00 C0R0R目前我国规定工业用目前我国规定工业用铂热电阻有两种铂热电阻有两种：更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 热敏电阻符号热敏电阻符号 更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ PTC PTC 正温度

9、系数型；正温度系数型； NTC NTC 负温度系数型负温度系数型；负温度系数型热敏电阻特性曲线负温度系数型热敏电阻特性曲线 1 expTBRA TTTRA A ， 与材料和形状有关；与材料和形状有关；B B ， 常数；常数；， 温度为温度为T T时的电阻值；时的电阻值； 更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 0R 图是一恒温控制电路，图是一恒温控制电路，RtRt为为热敏电阻，热敏电阻，A A为比较器，当环境为比较器，当环境温度达到温度达到TT时，输出信号实现时，输出信号实现自动调温

10、控制。自动调温控制。 同相端输入有同相端输入有RP1RP1、R2R2、R3R3分压确定作比较电平，分压确定作比较电平，RPRP可调可调节比较器的比较电平，从而调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。节所需控制温度。热敏电阻的恒温控制电路热敏电阻的恒温控制电路更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 目前国内外应用最普遍的集成温度传感目前国内外应用最普遍的集成温度传感器是：器是：AD590AD590、AD592AD592、TMP17TMP17、LM135LM135等，等，是上世纪是上世纪8080年代问世的，可以完成温度测年代问世的，可以完成温度测量及模拟信号

11、输出的专用量及模拟信号输出的专用ICIC； 模拟集成温控模块，模拟集成温控模块，LM56LM56、AD22105AD22105等，等，是可编程的温控开关模块；是可编程的温控开关模块； 智能温度传感器、温控器将智能温度传感器、温控器将A/DA/D转换电路，转换电路，ROMROM存储器集成在一个芯片上，自存储器集成在一个芯片上，自9090年代问年代问世以来，被广泛应用于自动控制系统，世以来，被广泛应用于自动控制系统，更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 集成温度传感器利用集成温度传感器利用PNPN结的电流、电压结的电流、电压特性与温度的关系测量温度，由于特性与

12、温度的关系测量温度，由于PNPN结受结受耐热性能的限制，一般测量温度范围在耐热性能的限制，一般测量温度范围在150150以下以下。 集成温度传感器把热敏晶体管和外围电集成温度传感器把热敏晶体管和外围电路、放大器、偏置电路及线性电路制作在路、放大器、偏置电路及线性电路制作在同一芯片上，构成一体化的专用集成器件；同一芯片上，构成一体化的专用集成器件； 特点：特点： 集成温度传感器具有体积小、反集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格低等优点。应快、线性好、价格低等优点。更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ PNPN结伏安特性方程：结伏安特性方程：/1Tu

13、usIIeIs 反向饱和电流；U 外加电压；UT =KT/q 温度电压当量t =300k(室温）, UT 26mv 目前集成温度传感器多采用目前集成温度传感器多采用差分对管差分对管作为敏感元件，作为敏感元件，利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的，利用发射极电流密度在恒定比率下工作的晶体管对的，基极基极发射极之间电压发射极之间电压V VBEBE的差与温度呈线性关系。的差与温度呈线性关系。 PNPN结加正向电压时结加正向电压时 PN PN结加反向电压时结加反向电压时/,1,TTuuuuTsuueII e?/,1,TuuTsuueII =q （PTATPTAT）绝对温度比例电路）绝对温度比

14、例电路 Proportiond to absolute temperatureProportiond to absolute temperature 集成温度传感器集成温度传感器（PTATPTAT）基本电路原理图基本电路原理图 绝对温度比例电路由绝对温度比例电路由V1V1、V2V2两两只互相匹配、性能完全相同的温只互相匹配、性能完全相同的温敏晶体管构成；敏晶体管构成； 集电极电流分别为集电极电流分别为I1I1、I2I2是由是由恒流源（晶体管）提供；恒流源（晶体管）提供； 电阻电阻R R上的电压上的电压VbeVbe是两个晶是两个晶体管发射极和基极之间电压差。体管发射极和基极之间电压差。R R更多

15、汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 晶体管伏安方程式：晶体管伏安方程式：01122lnCBEBEBECK TIVVVqI式中：式中：K K 波尔滋蔓常数；波尔滋蔓常数； T T 绝对温度绝对温度; ; 电子电荷量；电子电荷量； V1 V1、V2V2发射极面积比。发射极面积比。 q 正比于绝对温度正比于绝对温度 T T，只要保证，只要保证 恒定，恒定，就可以使就可以使 与与 温度温度 T T 为单值函数。为单值函数。 BEVBEV12/II/T=KT/q Tu usPNII e结加正向电压，温度电压当量u更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费

16、下载 http:/ 由方程式可见：由方程式可见：01122lnCB EB EB ECKTIVVVqIBEVBEV1212/CCCCIIJJ因为集电极因为集电极电流比电流比等于集电极等于集电极电流密度比电流密度比，那么只要保证两只晶体管的集电极电流密度比不变，那么只要保证两只晶体管的集电极电流密度比不变，电阻电阻R R上的电压上的电压 就可以正比于热力学温度就可以正比于热力学温度T T。电路的核心是使两只管子的集电极电流密度之比不电路的核心是使两只管子的集电极电流密度之比不随温度变化，实际制作时，特意将随温度变化，实际制作时，特意将T1T1、T2T2发射结面发射结面积作的不相等，面积比为积作的不

17、相等，面积比为，电阻，电阻R R上的电压差上的电压差 取决与发射结面积比取决与发射结面积比。更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 022lnB EVK TInRq R12012222CCCCCBECIIIIIIVRI VT2 VT2的发射极设计成条形，的发射极设计成条形，VT1VT1用同样条用同样条形并联，可严格控制结的面积，两管面积比形并联，可严格控制结的面积，两管面积比变为简单的条数比，电路输出总电流为：变为简单的条数比，电路输出总电流为：VT1VT1面积面积VT2VT2面积面积电路输出总电流与温度系数有关，与电流无关电路输出总电流与温度系数有关，与电

18、流无关面积比面积比n n大小决定灵敏度大小。大小决定灵敏度大小。0ln( )BEK TVnq更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 电压输出型电路电压输出型电路0lnBEK TVq01ln1RK TIqR电路输出为：电路输出为： 0201lnK TRURqv 可见输出电压可见输出电压U0U0与绝对温度与绝对温度T T成正比关系成正比关系BEV更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 1222lnBETVTKIIRqR若若R=358R=358，电路输出温度系数为：，电路输出温度系数为： 2ln1/TTdIKCAKdTqR电流输

19、出型电路电流输出型电路更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 典型器件典型器件AD590AD590电流输出型典型集成电流输出型典型集成温度传感器有温度传感器有AD590AD590（美国（美国ADAD公司生产），公司生产），国内同类产品国内同类产品SG590SG590。AD590 引脚和内部电路原理图测温范围测温范围-50-50+150+150；器件电源电压器件电源电压4 430V30V；小于小于3V3V时灵敏度随外加电压增加时灵敏度随外加电压增加而增加，所以电源必须大于而增加，所以电源必须大于4V4V。+ +- -1+1+2-2-3GND3GNDAD590封

20、装V VI/AI/A12341234+150+150+25+25-55-55更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ AD590AD590在摄氏温度在摄氏温度2525（298.2K298.2K）时，）时， 理想输出为理想输出为298.2A298.2A，实际存在误差；，实际存在误差； 下图中可通过电位器调整，使输出下图中可通过电位器调整，使输出 电压满足电压满足1mV/K 1mV/K 的关系。的关系。AD590 AD590 定标方法定标方法AD590AD590100100950950 一点校正法一点校正法，仅对某点温度进行，仅对某点温度进行校准校准AD590AD

21、590在在2525时，输出电流并时，输出电流并非非298.2A298.2A时，调节时，调节RPRP电阻，使输电阻，使输出值为出值为298.2mV298.2mV。更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ AD590 典型应用 控温电路T V3 V3V2时比较器输出？ 两点校正法两点校正法，先对，先对AD590AD590在在00温度时调节温度时调节R1R1使输出使输出VOUT=0VOUT=0；再将再将AD590AD590置于置于100100温度，调节温度，调节R2R2使使VOUT=10VVOUT=10V，使输出电压温度，使输出电压温度系数值为系数值为100mV/

22、100mV/ 。两点校正法两点校正法更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ AD590 AD590 典型应用典型应用测量摄氏温度电路测量两点温差电路更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ AD590 AD590 典型应用典型应用更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 基于基于1-WIRE1-WIRE总线的总线的DB18B20DB18B20型智能温度传感器型智能温度传感器DBDB18B2018B20引脚、封装引脚、封装智能传感器的总线技术已实智能传感器的总线技术已实现标准化、规范化；传感器

23、现标准化、规范化；传感器作为从机，可以通过专用总作为从机，可以通过专用总线接口与主机进行通讯，传线接口与主机进行通讯，传输数据。目前采用的总线主输数据。目前采用的总线主要有：要有：1-WIRE1-WIRE总线总线单总线；单总线；USBUSB通用串行总线；通用串行总线；SPISPI三线串行总线；三线串行总线；I2CI2C二线串行总线；二线串行总线；SMBUSSMBUS更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 基于基于1-WIRE1-WIRE总线的总线的DB18B20DB18B20型智能温度传感器型智能温度传感器 DS1820 DS1820是是DALLASDALL

24、AS半导体公司生产的可半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，与其它温度传组网数字式温度传感器，与其它温度传感器相比有以下特点：感器相比有以下特点： 单线接口方式，可实现双向通讯；单线接口方式，可实现双向通讯； 支持多点组网功能，多个支持多点组网功能，多个18201820可并联可并联 在唯一的总线上实现多点测温；在唯一的总线上实现多点测温； 使用中不需要任何外围器件，测量结使用中不需要任何外围器件，测量结 果以果以9 9位数字量方式串行传送位数字量方式串行传送 温度范围温度范围 -55-55+125 +125 供电电压供电电压 +3 +3 +5.5V +5.5V 1 2 3GND I/O VD

25、D两种封装形式：三个引脚两种封装形式：三个引脚 八个引脚八个引脚I/O I/O ：输入：输入/ /输出端输出端VDD VDD ：外部电源：外部电源+5V+5VGND GND ：地，：地，NC NC ：空脚：空脚更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 基于基于1-WIRE1-WIRE总线的总线的DB18B20DB18B20型智能温度传感器型智能温度传感器内内部部原原理理框框图图 内部电路框图主要包括内部电路框图主要包括7个部分：个部分：寄生电源，温度传感器，寄生电源，温度传感器，64位位ROM与接口，高速暂存器，与接口，高速暂存器，高温高温TH触发寄存器、低温

26、触发寄存器、低温TL触发寄存器，存储与控制逻触发寄存器，存储与控制逻辑，辑，8位循环冗余校验码（位循环冗余校验码（CRC）发生器。）发生器。 64位位ROM与接口与接口存储与控制逻辑存储与控制逻辑温度传感器温度传感器电源电源8位位CRC发生器发生器TH 触发寄存器触发寄存器TL 触发寄存器触发寄存器便笺式便笺式 RAM 高速暂存器高速暂存器更多汽车资料、汽车课件免费下载更多汽车资料、汽车课件免费下载 http:/ 基于基于1-WIRE1-WIRE总线的总线的DB18B20DB18B20型智能温度传感器型智能温度传感器 测温原理测温原理 低温度系数振荡器温度影响小，用于产生固定频率信号低温度系数振荡器温度影响小，用于产生固定频率信号f0送计数器送计数器1； 高温度系数振荡频率随温度变化，产生信号脉冲送计数器高温度系数振荡频率随温度变化，产生信号脉冲送计数器2； 计数器计数器1和温度寄存器被预置在和温度寄存器被预置在-55对应的基数值；对应的基数值； 计数器计数器1对低温度系数振荡器产生