温度传感器及应用(二)-课件

《传感器应用》课程教学资源建设建设院校：主要参与企业：顺德职业技术学院广东美的集团广东新宝电器佛山市顺德区美智电子佛山市顺德区高迅电子《传感器应用》课程教学资源建设建设院校：主要参与企业：温度传感器及应用温度传感器及应用主要内容

第一节概论

第二节热电偶温度传感器第三节热敏电阻温度传感器

第四节IC温度传感器第五节其他温度传感器主要内容第一节概论学习内容与学习目标通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势了解热电偶三定律及相关计算掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合掌握集成温度传感器使用方法了解其他温度传感器工作原理学习内容与学习目标通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。优点：输出线性好、测量精度高,传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越得到广泛应用。

第四节IC温度传感器设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。第四节一、IC温度传感器的分类

电压型IC温度传感器电流型IC温度传感器数字输出型IC温度传感器一、IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器一、IC温度传感器的分类

电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上，制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV／℃；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。一、IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器是将温度传感器一、IC温度传感器的分类

电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上，再通过激光修版微加工技术，制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1μA/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗，其值可达10MΩ，这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。一、IC温度传感器的分类电流型IC温度传感器

电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件。利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。二、IC温度传感器的测温原理电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管（一）电压输出型集成温度传感器AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，三种连线方式：

(a)正电源供电输出AN6701

(a)1243RC5~15V三、IC温度传感器的主要特性（一）电压输出型集成温度传感器输出AN6701(a)124（一）电压输出型集成温度传感器(b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC用来调整25℃下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范围内。这时灵敏度可达109~110mV/℃，在-10~80℃范围内基本误差不±1℃。AN6701输出

(c)10kΩRC31245~15V

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩ输出

AN6701

(b)213输出4－5~－15VRC三、IC温度传感器的主要特性（一）电压输出型集成温度传感器AN6701输出(c)10k输出电压/V024681012－20020406080RC=100kΩRC=10kΩRC=1kΩ温度/ºC在-10~80℃范围内，RC的值与输出特性的关系如下图。AN6701S有很好的线性，非线性误差不超过0.5%。若在25℃时借助RC将输出电压调整到5V，则RC的值约在3~30kΩ间，相应的灵敏度为109~110mV/℃。校准后，在-10~80℃范围内，基本误差不超过±1℃。这种集成传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。电源电压在5~15V间变化，所引起的测温误差一般不超过±2℃。整个集成电路的电流值一般为0.4mA，最大不超过0.8mA（RL=∞时）。输出电压/V024681012－20020406080RC=（二）电流型温度传感器AD590简介:AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。（二）电流型温度传感器（二）电流型温度传感器4、输出电阻为710M。5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。（二）电流型温度传感器1．伏安特性工作电压：4V～30V，I为一恒流值输出，I∝Tk，即KT——标定因子，AD590的标定因子为1μA/℃

I=KT·TK

4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲线-55℃+25℃+150℃2182984231．伏安特性I=KT·TK4V30V0I/μAU－550

150

273.2μAI/μATC/ºCAD590温度特性曲线2．温度特性

其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:Tc——摄氏温度；I的单位为μA。可见，当温度为0℃时，输出电流为273.2μA。在常温25℃时，标定输出电流为298.2μA。I=KT·Tc＋273.2－550150273.2μAI/μATC/ºC3．AD590的非线性150－55△T/ºC0.3－0.30在实际应用中，ΔT通过硬件或软件进行补偿校正，使测温精度达±0.1℃。其次，AD590恒流输出，具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗。当电源电压由＋5V向＋10V变化时，其电流变化仅为0.2μA/V。长时间漂移最大为±0.1℃，反向基极漏电流小于10pA。–55℃～100℃，ΔT递增，100℃～150℃则是递降。ΔT最大可达±3℃，最小ΔT＜0.3℃，按档级分等。T/ºCAD590非线性误差曲线3．AD590的非线性150－55△T/ºC0.3－0.30

美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。

DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。（三）数字输出型IC温度传感器美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器D

１、DS1820的特性

单线接口：仅需一根口线与MCU连接；

无需外围元件；

由总线提供电源；

测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃；

九位温度读数；

A/D变换时间为200ms；

用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。

１、DS1820的特性DS1820123GNDI/OVDD(a)PR—35封装

DS1820的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2、DS1820引脚及功能

GND：地；

VDD：电源电压

I/O：数据输入／输出脚(单线接口，可作寄生供电)123GNDI/OVDD(a)PR—35封装DS1820

3、DS1820的工作原理图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。存储器控制逻辑64bitROM和单线接口电源检测温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS1820内部结构图3、DS1820的工作原理存储器控制逻辑64bit电源检寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：检测远程温度时无需本地电源；缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。(1)寄生电源寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=0预置温度寄存器预置比较停止置位/清零加1(2)温度测量原理DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表给出了DS1820温度和数字量的对应关系。DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，温度/℃输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表

温度/℃输出的二进制码对应的十六进制码+125000000064位ROM的结构如下：

开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因，主机操作ROM的命令有五种。指

令说

明读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应(3)64位激光ROM64位ROM的结构如下：

指

令说

明读ROM（33H）由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EERAM。便笺式RAM占9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。暂存器的命令共6条，见表3.4-3所列。在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

Ts=（Tz-0.25℃）+(CD-Cs)/CD(4)高速暂存器由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储

DS1820存贮控制命令指

令说

明温度转换（44H）启动在线DS1820做温度A/D转换读数据（BEH）从高速暂存器读9bits温度值和CRC值写数据（4EH）将数据写入高速暂存器的第0和第1字节中复制（48H）将高速暂存器中第2和第3字节复制到EERAM读EERAM（B8H）将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字节读电源供电方式（B4H）了解DS1820的供电方式

DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。DS1820工作工程中的协议：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令、处理数据。

指

令说

明温度转换（44H）启动在４温度检测系统原理

由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了广泛应用。

采用寄生电容供电的温度检测系统

89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx……４温度检测系统原理采用寄生电容供电的温度检测系统

DS1889C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx……温度检测系统原理图如图所示，采用寄生电源供电方式。为保证在有效的DS1820时钟周期内，提供足够的电流，用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口（P1.0）来完成对DS1820总线的上拉。当DS1820处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便我们用89C51的P1.1口作发送口Tx，P1.2口作接收口Rx。此种方法可挂接DS1820数十片，距离可达到５０米，而用一个口时仅能挂接10片DS1820，距离仅为20米。同时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问题。采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，

DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为微处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线相连的器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载能力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线总线要求加一只5kΩ左右的上拉电阻。

DS1820采用了一种单线总线系统，即可用应特别注意：当总线上DS1820挂接得比较多时，就要减小上拉电阻的阻值，否则总线拉不成高电平，读出的数据全是0。在测试时，上拉电阻可以换成一个电位器，通过调整电位器可以使读出的数据正确，当总线上有8片DS1820时，电位器调到阻值为1.25kΩ时就能读出正确数据，在实际应用时可根据具体的传感器数量来选择合适的上拉电阻。

应特别注意：当总线上DS1820挂接得比较多时，就要减小上拉四、IC温度传感器的应用AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。N点最低温度值的测量

将不同测温点上的数个AD590相串联，可测出所有测量点上的温度最低值。该方法可应用于测量多点最低温度的场合。

N点温度平均值的测量

把N个AD590并联起来，将电流求和后取平均，则可求出平均温度。该方法适用于需要多点平均温度但不需要各点具体温度的场合。AD590应用四、IC温度传感器的应用AD590测量热力学温度、摄氏温度、（一）深井长传输线的摄氏温度测量

在实际中，可使用AD590进行深井长线传输测温，并能对测温曲线的非线性误差进行校正。

用AD590为测温传感器，传输电缆可达1000m以上，主要是因AD590本身具有恒流、高阻抗输出特性，输出阻抗达10MΩ。1000m的铜质电缆。其直流阻值约为150Ω。所以电缆的影响是微乎其微的。实验证明，接入1000m电缆后的测量值与不接入电缆的侧量值。相差值小于0.1℃。这一变化值是在规定的测温精度范围内的。长线传输摄氏温度测量的典型电路如图。（一）深井长传输线的摄氏温度测量在实际中，可使用由图可得设RT=1k，KT为标定因子(1μA/K)，则U1=1mV/K·Tk因BG1为1.25V稳压管，经R2,WT分压,取U2=273.2mV放大倍数A=10；于是有:

～－+U0ABG1R1R2U2WrRrI1+E9VU1当t=–55℃时，U0=–550mV；当t=＋150℃时，U0=＋1500mV。此电路只要BG1的运放漂移小，性能稳定，RT取0.l％精密电阻，加上对AD590的自身非线性补偿后，测温精度在测温范围内可达0.1℃。对于标定因子KT的离散性，可通过调节WT来调整，WT为多圈线精密电位器。U0=(U1-U2)A=1mV·Tc·A=10mV/℃·Tc摄氏TC－V转换公式由图可得～－+U0ABG1R1R2WrRrI1+E9VU1当（二）测温曲线的非线性误差校正在实际测温曲线中,若没有通过校正,曲线如图，0℃～100℃温域曲线是上升的，原因是AD590本身的非线性所致，在–55℃～＋100℃时ΔT是递增的；在100℃～+150℃的ΔT是递降的，即ΔU0/ΔT=F(≤1)。式中的F为测温电路的标定因子。

80ºC100ºCTC标准值T测量值0（二）测温曲线的非线性误差校正80ºC100ºCTC标准值TN1为固定值，V标是反向积分时所加的标准电压,实际上N1/V标为一常数，故该公式为N2-V输入间的线性关系式。如果由AD590的非线性产生的V输入值偏高，要使N2保持不变，只要减小V标的值，即可使曲线得到提升；反之，增加V标值，曲线就下降。在实际电路中，是改变双积分转换器的参考电压UREF的值来使测温读数值得到修正的。这种办法补偿了AD590的非线性误差，提高了测量精度。要使整个测温曲线有良好线性关系，就要使F=1，采取的办法是利用双积分A/D转换线性特性，对曲线分段校正，线性双积分A/D转换的基本公式为：N1为固定值，V标是反向积分时所加的标准电压,实际上N1/V一、铂电阻温度传感器利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量和控制–200℃～650℃范围内的温度，也可作对其他变量(如：流量、导电率、pH值等)测量电路中的温度补偿。有时用它来测量介质的温差和平均温度。它具有比其他元件良好的稳定性和互换性。目前，铂电阻上限温度达850℃。123451－云母片骨架；2－铂丝；3－银丝引出线；4－保护用云母；5－绑扎用银带第五节其他温度传感器一、铂电阻温度传感器123451－云母片骨架；2－铂丝；铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。国际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻分度号为BA1、BA2，其R100/R0=1.391。用途：钢铁,地质,石油,化工等生产工艺流程,各种食品加工,空调设备及冷冻库,恒温槽等的温度检测与控制中。铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下二、水晶温度传感器

水晶振子具有优良的频率稳定性。利用这种特性制成的高精度晶振，已广泛应用于通信、检测、控制仪器及微机等领域。二、水晶温度传感器二、水晶温度传感器水晶振子根据需要可切割成各种水晶板。主要切割形式有：AT、AC、RS、LC、Y等，其中，AT切割都使用在相对温度频率误差小的切割中。水晶振子的固有振动频率，可用下式表示：

式中f——固有频率；n——谐波次数；t——振子厚度

ρ——水晶的密度；Cii——弹性常数。式中的t、ρ、Cii均是温度的函数。水晶温度传感器就是利用水晶振子的振动频率随温度变化的特性制成的二、水晶温度传感器（一）水晶温度传感器的特性在各种切割中，相对温度频率误差大的切割有Y、LC、RS、AC等。温度和水晶振子频率的关系一般用：

fT——T℃时的频率；fT0——T0℃时的频率；

T——测量温度；T0——基准温度（任意）；A、B、C——方程式的1次、2次、3次项的温度系数。如果方程的2次、3次项的温度系数近似为0，就可以得到线性水晶温度传感器。由于切割形式不同，温度系数也不同。LC切割传感器的特性如下表。（一）水晶温度传感器的特性水晶温度传感器的特性

项目A/10-6B/10-9C/10-12灵敏度约1000Hz/℃时的频率，MHz谐波次数nY92.7561.7428.83～10.61RS42.501.25-39.75～23.53LC38.090

0～28.23切割

Φ3.12maxΦ8.0以下±0.23.75±0.50Φ0.3±0.07Φ0.31.1±0.20.3max10min0.5以下4.7以下QTY-451QTY-452QTL-451QTY-3816.5以下目前，日本制造出的水晶温度传感器有Y切割的QTY-452、QTY-451、QTY-381LC切割的QTL-451，如图。

水晶温度传感器外形图水晶温度传感器的特性项目A/10-6B/10-9C/10-（二）水晶温度探测器

水晶探测器是由传感器和振荡电路组装在一起制成的，适用于检测液体、固体或气体的温度。（三）水晶温度传感器的应用水晶温度传感器可广泛用于空调、电子工业、食品加工等领域。由于可用数字显示，所以，可作为高稳定性和高分辨率的温度计使用。

（二）水晶温度探测器三、

分布温度传感器

温度越限往往造成火灾、爆炸或机毁人亡等恶性事故。对于在空间延伸的设备和装置，进行温度越限的检测和控制尤为重要。避免温度越限不可能通过温度的点测来实现，如电力电缆表层某一点温度的检测和控制。因此,这种传感器在温度检测与控制中，具有独特重要作用。三、

分布温度传感器（一）一次触发式分布温度传感器仅能触发一次，然后必须重新设定测量位置。最普通的是利用易熔塑料分割两根导线制成。当温度越限使塑料融化时，分割的两根导线产生短路电流，短路电流可利用电缆终端的装置测出。其主要缺点是：仅能触发一次，不适于连续检测；不能进行非破坏性试验，每次都必须接到传感器电缆的一个新部位上；一般仅适用于火焰检测。（一）一次触发式分布温度传感器（二）重复使用式分布温度传感器

重复使用式温度传感器适用于温度连续监测（二）重复使用式分布温度传感器1．热敏电阻材料包裹导线式传感器是利用负温度系数的热敏电阻材料，以同轴方式包裹中心电缆，并用金属外套封装这个同轴电缆。当在延伸电缆长度方向上的任一点的温度低于触发温度时，传感器处于正常工作状态，此时中心导线与外套间的电阻为高值；但当温度升高到某一数值时，电阻就下降的相应值。报警点的温度与对应的最小阻值相对应。由于这种传感器是一种空间积累式温度传感器，一段长的热段和一段短的热段所测的电阻值相同，因此，沿传感器长度延伸方向出现温度越限的位置，不能由测量电阻值来确定。

1．热敏电阻材料包裹导线式传感器2．热敏材料填充式传感器将热敏材料填充在中心导线与圆柱形金属套之间构成的同轴电缆，所用的热敏材料是易溶盐化合物。在正常工作状态下，盐化合物为固态，导线与金属套间阻值最大。当温度升高，盐化合物熔化时，填充层的阻值显著下降。椐此可测出电缆是否过热。2．热敏材料填充式传感器3．气压输送管这种传感器实际上是一个充满惰性气体的气压输送管，当温度升高时，连接在电触膜盒上所受的压力增加，椐此来测定越限温度。但这种传感器也不能以任何方式测定出故障的确切位置，也只能检测出是否过热。

3．气压输送管4．导电聚合物式传感器这种传感器为同轴电容器式结构，中心导线用电介质被覆，导线塑料压涂在已被覆电介质的导线上。导电塑料应选用在预定的出发点附近，且为正电阻温度系数较大的材料。最外层是防护塑料套，其结构如图。

金属导体电介质导体塑料保护塑料套4．导电聚合物式传感器金属导体电介质导体塑料保护塑料套4．导电聚合物式传感器金属导体电介质导体塑料保护塑料套

按要求选定具有某一触发温度值的传感器电缆，并使其与监控设备之间保持良好热接触。如果在传感器电缆长度方向上的任何一部分超过预定的触发温度，则该部分的导电塑料中的阻值将大大增加。由于不能通过高电阻对电缆充放电，所以电容值减小。根据越限温度时的电容值和正常温度电容值之比,可测出温度触发点的位置。4．导电聚合物式传感器金属导体电介质导体塑料保护塑料套目前，一种长180m以上的这种传感器，在国外已投入使用，其触发温度为125±5℃，测位精度达5m。

目前，一种长180m以上的这种传感器，在国外已投入使用，其触

除上述集中分布温度传感器外，还有两种新型的分布温度传感器。第一种传感器长250m，全长用金属封装，它可测出过热部分温度。该传感器测温范围0～500℃。它可用于监测反应堆的温度。另一种传感器可在长1000m或更长的距离内测出温度上下限，其触发温度范围为0～150℃。这种传感器适用于化工或其他具危险工艺过程中的温度监测。总之，分布温度传感器可有效地解决各种空间延伸设备的温度监测等问题，它的广泛应用大大推动了温度检测技术的发展。除上述集中分布温度传感器外，还有两种新型的分四、

双金属温度传感器

目前，双金属式温度传感器已被广泛应用于各种测温领域。这种温度传感器实际上是双金属式温度保护器。四、

双金属温度传感器四、

双金属温度传感器

（一）

工作原理将热膨胀系数不同的两种或两种以上金属(线、板、棒)压制成一体，当温度变化时，双金属产生变形，利用这种机械运动实现控温目的。

四、

双金属温度传感器

提高电器、热源和应用仪器等的安全可靠性能，一般通过附加电压、靠过热、过电流等保护元件来实现。但这样使用时很不方便，出现事故后要更新保护元件。当应用双金属式传感器做保护元件时，如果马达、变压器等电器设备工作出现异常，不仅温度上升，而且工作电流也随之增加，此时双金属式温度传感器可通过本身的发热变形特性进行对工作电路的开、闭控制，这与恒温箱的工作原理基本相同。提高电器、热源和应用仪器等的安全可靠性能01234567708090100110120130140工作温度/ºC电流/A电流负荷特性（玻璃型）（二）特性1．电流负荷特性电流负荷特性如图所示。由于负载与传感器串联使用的，故应根据负载电流值来合理选用温度传感器。

01234567708090100110120130140工过电流的工作时间特性如图所示。当温度升高或过电流时，电路自动断开。断开时间因过电流值大小不同而不同，要根据两者之间的关系选择所需要的产品。

124682010406080100101112131415T70T80T90T100T110T120T140T130电流/A电流应动时间/s2．过电流的工作时间特性过电流的工作时间特性如图所示。当温度升高或过电流时，电路自动3．恢复温度恢复温度是指电路断开后能够使仪器的过热温度自动下降，并能使之重新开始工作的温度。工作温度与恢复温度的差通常为15℃以上，一般按25℃设计。4．工作温度和恢复温度的往返精度工作温度和恢复温度的精度开始为±1%，在额定负荷工作5000次后，精度为±5%。

3．恢复温度（三）

应用

双金属式温度传感器用途很广。一般串联在保护电路中，可用于防止因过电流而造成事故。如，电路的过热、过电流保护；小马达、小型变压器等电气设备的保护。

（三）

应用《传感器应用》课程教学资源建设建设院校：主要参与企业：顺德职业技术学院广东美的集团广东新宝电器佛山市顺德区美智电子佛山市顺德区高迅电子《传感器应用》课程教学资源建设建设院校：主要参与企业：温度传感器及应用温度传感器及应用主要内容

第一节概论

第二节热电偶温度传感器第三节热敏电阻温度传感器

第四节IC温度传感器第五节其他温度传感器主要内容第一节概论学习内容与学习目标通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势了解热电偶三定律及相关计算掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合掌握集成温度传感器使用方法了解其他温度传感器工作原理学习内容与学习目标通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。优点：输出线性好、测量精度高,传感驱动电路、信号处理电路等都与温度传感部分集成在一起,因而封装后的组件体积非常小,使用方便,价格便宜,故在测温技术中越来越得到广泛应用。

第四节IC温度传感器设计原理：利用半导体PN结的电流电压与温度有关的特性。第四节一、IC温度传感器的分类

电压型IC温度传感器电流型IC温度传感器数字输出型IC温度传感器一、IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器一、IC温度传感器的分类

电压型IC温度传感器是将温度传感器基准电压、缓冲放大器集成在同一芯片上，制成一四端器件。因器件有放大器；故输出电压高、线性输出为10mV／℃；另外,由于其具有输出阻抗低的特性；抗干扰能力强。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。一、IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器是将温度传感器一、IC温度传感器的分类

电流型IC温度传感器是把线性集成电路和与之相容的薄膜工艺元件集成在一块芯片上，再通过激光修版微加工技术，制造出性能优良的测温传感器。这种传感器的输出电流正比于热力学温度，即1μA/K；其次，因电流型输出恒流，所以传感器具有高输出阻抗，其值可达10MΩ，这为远距离传输深井测温提供了一种新型器件。一、IC温度传感器的分类电流型IC温度传感器

电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管的PN结随温度变化而产生漂移现象研制的。众所周知，晶体管PN结的这种温漂，会给电路的调整带来极大的麻烦。但是，利用PN结的温漂特性来测量温度，可研制成半导体温度传感元件。IC温度传感器就是依据半导体的温漂特性，经过精心设计而制造出来的集成化线性较好的温度传感器件。利用电流I与Tk的正比关系，通过电流的变化来测量温度的大小。二、IC温度传感器的测温原理电流型IC温度传感器的测温原理，是基于晶体管（一）电压输出型集成温度传感器AN6701S是日本松下公司生产的电压输出型集成温度传感器，它有四个引脚，三种连线方式：

(a)正电源供电输出AN6701

(a)1243RC5~15V三、IC温度传感器的主要特性（一）电压输出型集成温度传感器输出AN6701(a)124（一）电压输出型集成温度传感器(b)负电源供电，(c)输出极性颠倒。电阻RC用来调整25℃下的输出电压，使其等于5V，RC的阻值在3~30kΩ范围内。这时灵敏度可达109~110mV/℃，在-10~80℃范围内基本误差不±1℃。AN6701输出

(c)10kΩRC31245~15V

-+∞+100kΩ10kΩ100kΩ输出

AN6701

(b)213输出4－5~－15VRC三、IC温度传感器的主要特性（一）电压输出型集成温度传感器AN6701输出(c)10k输出电压/V024681012－20020406080RC=100kΩRC=10kΩRC=1kΩ温度/ºC在-10~80℃范围内，RC的值与输出特性的关系如下图。AN6701S有很好的线性，非线性误差不超过0.5%。若在25℃时借助RC将输出电压调整到5V，则RC的值约在3~30kΩ间，相应的灵敏度为109~110mV/℃。校准后，在-10~80℃范围内，基本误差不超过±1℃。这种集成传感器在静止空气中的时间常数为24s，在流动空气中为11s。电源电压在5~15V间变化，所引起的测温误差一般不超过±2℃。整个集成电路的电流值一般为0.4mA，最大不超过0.8mA（RL=∞时）。输出电压/V024681012－20020406080RC=（二）电流型温度传感器AD590简介:AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。（二）电流型温度传感器（二）电流型温度传感器4、输出电阻为710M。5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。（二）电流型温度传感器1．伏安特性工作电压：4V～30V，I为一恒流值输出，I∝Tk，即KT——标定因子，AD590的标定因子为1μA/℃

I=KT·TK

4V30V0I/μAU/VAD590伏安特性曲线-55℃+25℃+150℃2182984231．伏安特性I=KT·TK4V30V0I/μAU－550

150

273.2μAI/μATC/ºCAD590温度特性曲线2．温度特性

其温度特性曲线函数是以Tk为变量的n阶多项式之和，省略非线性项后则有:Tc——摄氏温度；I的单位为μA。可见，当温度为0℃时，输出电流为273.2μA。在常温25℃时，标定输出电流为298.2μA。I=KT·Tc＋273.2－550150273.2μAI/μATC/ºC3．AD590的非线性150－55△T/ºC0.3－0.30在实际应用中，ΔT通过硬件或软件进行补偿校正，使测温精度达±0.1℃。其次，AD590恒流输出，具有较好的抗干扰抑制比和高输出阻抗。当电源电压由＋5V向＋10V变化时，其电流变化仅为0.2μA/V。长时间漂移最大为±0.1℃，反向基极漏电流小于10pA。–55℃～100℃，ΔT递增，100℃～150℃则是递降。ΔT最大可达±3℃，最小ΔT＜0.3℃，按档级分等。T/ºCAD590非线性误差曲线3．AD590的非线性150－55△T/ºC0.3－0.30

美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS1820，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的串行序列号，所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线（单总线接口）。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。

DS1820提供九位温度读数，构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。（三）数字输出型IC温度传感器美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器D

１、DS1820的特性

单线接口：仅需一根口线与MCU连接；

无需外围元件；

由总线提供电源；

测温范围为-55℃～125℃，精度为0.5℃；

九位温度读数；

A/D变换时间为200ms；

用户可以任意设置温度上、下限报警值，且能够识别具体报警传感器。

１、DS1820的特性DS1820123GNDI/OVDD(a)PR—35封装

DS1820的管脚排列DS182012345678I/OGND(b)SOIC封装NCNCNCNCVDDNC2、DS1820引脚及功能

GND：地；

VDD：电源电压

I/O：数据输入／输出脚(单线接口，可作寄生供电)123GNDI/OVDD(a)PR—35封装DS1820

3、DS1820的工作原理图为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。存储器控制逻辑64bitROM和单线接口电源检测温度传感器高温触发器低温触发器8位CRC触发器存储器DS1820内部结构图3、DS1820的工作原理存储器控制逻辑64bit电源检寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电路用于判定供电方式。寄生电源供电时,电源端接地，器件从总线上获取电源。在I/O线呈低电平时，改由寄生电容上的电压继续向器件供电。寄生电源两个优点：检测远程温度时无需本地电源；缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源,则通过二极管向器件供电。(1)寄生电源寄生电源由两个二极管和寄生电容组成。电源检测电斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=0预置温度寄存器预置比较停止置位/清零加1(2)温度测量原理DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术斜率累加器计数器1计数器2低温度系数晶振高温度系数晶振=0=DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，表给出了DS1820温度和数字量的对应关系。DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，温度/℃输出的二进制码对应的十六进制码+125000000001111101000FAH+2500000000001100100032H+1/200000000000000010001H000000000000000000000H-1/21111111111111111FFFFH-251111111111001110FFCEH-551111111110010010FF92HDS1820温度与数字量对应关系表

温度/℃输出的二进制码对应的十六进制码+125000000064位ROM的结构如下：

开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因，主机操作ROM的命令有五种。指

令说

明读ROM（33H）读DS1820的序列号匹配ROM（55H）继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位跳过ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应(3)64位激光ROM64位ROM的结构如下：

指

令说

明读ROM（33H）由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EERAM。便笺式RAM占9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。暂存器的命令共6条，见表3.4-3所列。在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后再用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

Ts=（Tz-0.25℃）+(CD-Cs)/CD(4)高速暂存器由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储

DS1820存贮控制命令指

令说

明温度转换（44H）启动在线DS1820做温度A/D转换读数据（BEH）从高速暂存器读9bits温度值和CRC值写数据（4EH）将数据写入高速暂存器的第0和第1字节中复制（48H）将高速暂存器中第2和第3字节复制到EERAM读EERAM（B8H）将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字节读电源供电方式（B4H）了解DS1820的供电方式

DS1820单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。DS1820工作工程中的协议：初始化、ROM操作命令、存储器操作命令、处理数据。

指

令说

明温度转换（44H）启动在４温度检测系统原理

由于单线数字温度传感器DS1820具有在一条总线上可同时挂接多片的显著特点，可同时测量多点的温度，而且DS1820的连接线可以很长，抗干扰能力强，便于远距离测量，因而得到了广泛应用。

采用寄生电容供电的温度检测系统

89C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx……４温度检测系统原理采用寄生电容供电的温度检测系统

DS1889C51DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2TxRx+5VGNDVDDP1.1作输出口用，相当于TxP1.2作输入口用，相当于Rx……温度检测系统原理图如图所示，采用寄生电源供电方式。为保证在有效的DS1820时钟周期内，提供足够的电流，用一个MOSFET管和89C51的一个I/O口（P1.0）来完成对DS1820总线的上拉。当DS1820处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。DS1820DS1820DS1820P1.0P1.1P1.2采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便我们用89C51的P1.1口作发送口Tx，P1.2口作接收口Rx。此种方法可挂接DS1820数十片，距离可达到５０米，而用一个口时仅能挂接10片DS1820，距离仅为20米。同时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号竞争问题。采用寄生电源供电方式时VDD必须接地。由于单线制只有一根线，

DS1820采用了一种单线总线系统，即可用一根线连接主从器件，DS1820作为从属器件，主控器件一般为微处理器。单线总线仅由一根线组成，与总线相连的器件应具有漏极开路或三态输出，以保证有足够负载能力驱动该总线。DS1820的I/O端是开漏输出的，单线总线要求加一只5kΩ左右的上拉电阻。

DS1820采用了一种单线总线系统，即可用应特别注意：当总线上DS1820挂接得比较多时，就要减小上拉电阻的阻值，否则总线拉不成高电平，读出的数据全是0。在测试时，上拉电阻可以换成一个电位器，通过调整电位器可以使读出的数据正确，当总线上有8片DS1820时，电位器调到阻值为1.25kΩ时就能读出正确数据，在实际应用时可根据具体的传感器数量来选择合适的上拉电阻。

应特别注意：当总线上DS1820挂接得比较多时，就要减小上拉四、IC温度传感器的应用AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。N点最低温度值的测量

将不同测温点上的数个AD590相串联，可测出所有测量点上的温度最低值。该方法可应用于测量多点最低温度的场合。

N点温度平均值的测量

把N个AD590并联起来，将电流求和后取平均，则可求出平均温度。该方法适用于需要多点平均温度但不需要各点具体温度的场合。AD590应用四、IC温度传感器的应用AD590测量热力学温度、摄氏温度、（一）深井长传输线的摄氏温度测量

在实际中，可使用AD590进行深井长线传输测温，并能对测温曲线的非线性误差进行校正。

用AD590为测温传感器，传输电缆可达1000m以上，主要是因AD590本身具有恒流、高阻抗输出特性，输出阻抗达10MΩ。1000m的铜质电缆。其直流阻值约为150Ω。所以电缆的影响是微乎其微的。实验证明，接入1000m电缆后的测量值与不接入电缆的侧量值。相差值小于0.1℃。这一变化值是在规定的测温精度范围内的。长线传输摄氏温度测量的典型电路如图。（一）深井长传输线的摄氏温度测量在实际中，可使用由图可得设RT=1k，KT为标定因子(1μA/K)，则U1=1mV/K·Tk因BG1为1.25V稳压管，经R2,WT分压,取U2=273.2mV放大倍数A=10；于是有:

～－+U0ABG1R1R2U2WrRrI1+E9VU1当t=–55℃时，U0=–550mV；当t=＋150℃时，U0=＋1500mV。此电路只要BG1的运放漂移小，性能稳定，RT取0.l％精密电阻，加上对AD590的自身非线性补偿后，测温精度在测温范围内可达0.1℃。对于标定因子KT的离散性，可通过调节WT来调整，WT为多圈线精密电位器。U0=(U1-U2)A=1mV·Tc·A=10mV/℃·Tc摄氏TC－V转换公式由图可得～－+U0ABG1R1R2WrRrI1+E9VU1当（二）测温曲线的非线性误差校正在实际测温曲线中,若没有通过校正,曲线如图，0℃～100℃温域曲线是上升的，原因是AD590本身的非线性所致，在–55℃～＋100℃时ΔT是递增的；在100℃～+150℃的ΔT是递降的，即ΔU0/ΔT=F(≤1)。式中的F为测温电路的标定因子。

80ºC100ºCTC标准值T测量值0（二）测温曲线的非线性误差校正80ºC100ºCTC标准值TN1为固定值，V标是反向积分时所加的标准电压,实际上N1/V标为一常数，故该公式为N2-V输入间的线性关系式。如果由AD590的非线性产生的V输入值偏高，要使N2保持不变，只要减小V标的值，即可使曲线得到提升；反之，增加V标值，曲线就下降。在实际电路中，是改变双积分转换器的参考电压UREF的值来使测温读数值得到修正的。这种办法补偿了AD590的非线性误差，提高了测量精度。要使整个测温曲线有良好线性关系，就要使F=1，采取的办法是利用双积分A/D转换线性特性，对曲线分段校正，线性双积分A/D转换的基本公式为：N1为固定值，V标是反向积分时所加的标准电压,实际上N1/V一、铂电阻温度传感器利用纯铂丝电阻随温度的变换而变化的原理设计研制成的。可测量和控制–200℃～650℃范围内的温度，也可作对其他变量(如：流量、导电率、pH值等)测量电路中的温度补偿。有时用它来测量介质的温差和平均温度。它具有比其他元件良好的稳定性和互换性。目前，铂电阻上限温度达850℃。123451－云母片骨架；2－铂丝；3－银丝引出线；4－保护用云母；5－绑扎用银带第五节其他温度传感器一、铂电阻温度传感器123451－云母片骨架；2－铂丝；铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下水沸点时的铂的电阻值。国际温标规定，作为基准器的铂电阻，其R100/R0不得小于1.3925。我国工业用铂电阻分度号为BA1、BA2，其R100/R0=1.391。用途：钢铁,地质,石油,化工等生产工艺流程,各种食品加工,空调设备及冷冻库,恒温槽等的温度检测与控制中。铂电阻的纯度以R100/R0表示，R100表示在标准大气压下二、水晶温度传感器

水晶振子具有优良的频率稳定性。利用这种特性制成的高精度晶振，已广泛应用于通信、检测、控制仪器及微机等领域。二、水晶温度传感器二、水晶温度传感器水晶振子根据需要可切割成各种水晶板。主要切割形式有：AT、AC、RS、LC、Y等，其中，AT切割都使用在相对温度频率误差小的切割中。水晶振子的固有振动频率，可用下式表示：

式中f——固有频率；n——谐波次数；t——振子厚度

ρ——水晶的密度；Cii——弹性常数。式中的t、ρ、Cii均是温度的函数。水晶温度传感器就是利用水晶振子的振动频率随温度变化的特性制成的二、水晶温度传感器（一）水晶温度传感器的特性在各种切割中，相对温度频率误差大的切割有Y、LC、RS、AC等。温度和水晶振子频率的关系一般用：

fT——T℃时的频率；fT0——T0℃时的频率；

T——测量温度；T0——基准温度（任意）；A、B、C——方程式的1次、2次、3次项的温度系数。如果方程的2次、3次项的温度系数近似为0，就可以得到线性水晶温度传感器。由于切割形式不同，温度系数也不同。LC切割传感器的特性如下表。（一）水晶温度传感器的特性水晶温度传感器的特性

项目A/10-6B/10-9C/10-12灵敏度约1000Hz/℃时的频率，MHz谐波次数nY92.7561.7428.83～10.61RS42.501.25-39.75～23.53LC38.090

0～28.23切割

Φ3.12maxΦ8.0以下±0.23.75±0.50Φ0.3±0.07Φ0.31.1±0.20.3max10min0.5以下4.7以下QTY-451QTY-452QTL-451QTY-3816.5以下目前，日本制造出的水晶温度传感器有Y切割的QTY-452、QTY-451、QTY-381LC切割的QTL-451，如图。

水晶温度传感器外形图水晶温度传感器的特性项目A/10-6B/10-9C/10-（二）水晶温度探测器

水晶探测器是由传感器和振荡电路组装在一起制成的，适用于检测液体、固体或气体的温度。（三）水晶温度传感器的应用水晶温度传感器可广泛用于空调、电子工业、食