第一章温度传感器

第一章温度传感器主讲教师：张京玲信息工程学院

v定义：

温度传感器是一种将温度变化转换为电学量变化的装置。

v用途：

用于检测温度和热量，也称为热电式传感器。

v重要性：

与生活、科研、生产密切相关。

应用最广泛。第一章温度传感器五邑大学传感器原理及应用思考温度传感器可以将温度变化转换为哪些电学量呢？第一章温度传感器v将温度T变化-------电阻变化的元件，主要有金属热电阻、半导体热电阻、陶瓷热敏电阻(NTC、PTC、CTR)和高分子热敏电阻；将温度变化-------电势的传感器，主要有热电偶和PN结式传感器；将热辐射-------电学量的器件，有热释电探测器、红外探测器；v集成温度传感器、光纤温度传感器、液晶温度传感器、智能温度传感器等温度传感器分类第一章温度传感器五邑大学传感器原理及应用电阻型温度传感器半导体PN结型温度传感器热电偶其它温度传感器第一章温度传感器1.1电阻型温度传感器1.1电阻型温度传感器金属热电阻简称热电阻半导体热电阻简称热敏电阻温度感温材料电阻五邑大学传感器原理及应用热电阻半导体热电阻温度传感器热敏电阻电阻式温度传感器的应用1.1电阻型温度传感器Rt：任意绝对温度t时的电阻值R0：基准状态温度t0时的电阻值

：温度系数（1/℃）一、热电阻的特性

1.1.1热电阻五邑大学传感器原理及应用思考制作热电阻的感温材料有什么要求？1.1.1热电阻1.1.1热电阻

感温材料的要求:电阻温度系数：纯金属性能稳定：测温准确性良好的输出特性：线性

高的电阻率良好的加工性、价格便宜

0～630.755℃:1.铂热电阻1.1.1热电阻v稳定性好、重复性好v热电阻最佳材料，但是贵。v用于高精度工业测量:标准电阻温度计、温度基准。-190～0℃:

用于一般测量精度和测量范围较小时，易于得到高纯度材料、价格低廉，易氧化。2.铜热电阻1.1.1热电阻-50～150℃：一般只用于150度以下，无水分和无侵蚀性的低温环境中。1.1.1热电阻3.其它热电阻

铁和镍电阻：应用较少

灵敏度高，电阻率较大。易氧化，不易提纯，非线性。1.1.1热电阻铟电阻锰电阻碳电阻低温测量-273～-268.5℃，热容量小，灵敏度高热稳定性较差。-269～-258℃，测量精度高，灵敏度高重现性差。

-271～-210℃用，灵敏度高脆性高，易损坏；

1、结构：

组成：感温元件、内引线、绝缘套管、保护套管和接线盒。将电阻丝无感双线绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘架上，固定后外面再加上保护套管。

1.1.1热电阻

2、测量电路：用精度较高的电桥电路。两线制连接方式存在的问题：引线电阻为消除连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线和四线连接法。1.1.1热电阻优点：性能稳定，测量范围宽、精度高、低温测量。不足：需辅助电源，热容量大，限制用于动态测量。措施：为避免电热效应，电流一般应小于10mA。1.1.1热电阻

正温度系数热敏电阻PTC

负温度系数热敏电阻NTC临界温度系数热敏电阻CTR1.1.2热敏电阻

材料：

金属氧化物(Mn3O4、CuO、NiO、Co3O4)为基体、添加剂、陶瓷工艺制成。

半导体陶瓷。特点：

灵敏度高、重复性好、成本低、体积小、使用方便。

热敏电阻五邑大学传感器原理及应用思考什么是PTC、NTC、CTR？1.1.2热敏电阻

五邑大学热敏电阻主要有三种类型，即正温度系数型(PTC)、负温度系数型(NTC)、和临界温度系数型(CTR)。CTR临界热敏电阻有一突变温度，此特性可用于自动控温和报警电路中。热敏电阻的主要特性1081021041060图三类热敏电阻的温度特性温度（℃）电阻（Ω）NTCCTRPTC40801201601801.1.2热敏电阻

五邑大学传感器原理及应用思考热敏电阻的特性参数有哪些？1.1.2热敏电阻

一、热敏电阻特性参数

标称电阻值（R25）：

25℃、零功率状态的阻值。大小取决于电阻的材料和几何尺寸。25℃～27℃：2.电阻温度系数(αT)：规定温度下，单位温度变化使阻值变化的相对值。αT

决定了热敏电阻全部工作范围内对温度的灵敏度。1.1.2热敏电阻

时间常数(τ)：表征电阻的热惯性.

在零功率测量状态下,当环境温度突变时,阻值从起始值变化到最终变化量的63%时所需的时间。额定功率（PE）：在标准压力750mmHg和规定的最高温度下，电阻期连续工作所允许的最大耗散功率。实际中所消耗的功率不得超过PE。1.1.2热敏电阻

1.电阻温度特性突变型（开关型）：

曲线Ⅰ中阻值随温度变化很陡Tb为开关温度温度变化与电阻变化为指数关系温度系数与温度无关

1.1.2热敏电阻

二、PTC热敏电阻1.1.2热敏电阻

缓变型：曲线Ⅱ阻值随温度变化缓慢温度变化与电阻变化为线性关系温度系数随温度变化

适用于温度补偿静态伏安特性：

一定温度下，静止的空气中，PTC电阻两端的电压降与电阻稳态电流之间的关系。曲线可分为AB、BC、CD三段。2、PTC的静态伏安特性曲线电流I(A)电压U(V)1.1.2热敏电阻

五邑大学如图所示是一种热敏电阻（PTC元件）的电阻R随温度t变化的关系图线，这种元件具有发热、控温双重功能．常见的电热灭蚊器中就使用这种元件来加温并控制温度．如果将该元件接到220V电压下，则A．通电后，其电功率先增大后减小B．通电后，其电功率先减小后增大C．当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1不变D．当其发热功率等于散热功率时，温度保持在t1到t2之间的某一值不变t/℃Rt2t1AD1.1.2热敏电阻

三、NTC热敏电阻1.NTC电阻的温度特性

随T升高而迅速减小，可用于温度检测、温度补偿、控温等各种电路。1.1.2热敏电阻

2.NTC静态伏安特性曲线oa段：电压随电流增大线性增大。ab段：电压偏离线性，随电流增加。bd段：电压随电流增加下降很快。de段：电压下降缓慢。1.1.2热敏电阻

指在某一温度附近电阻值发生突变，于几度的狭小温区内，随温度的增加阻值降低3～4个数量级的元件。阻值的突变点为临界温度点。四、CTR热敏电阻宏观开关温度：电阻值下降到某一规定值时所对应的温度。该规定值称为开关电阻Rc。1.1.2热敏电阻

五邑大学传感器原理及应用思考如何确定开关电阻值？1.1.2热敏电阻

1.1.2热敏电阻

开关电阻：按曲线求出切线在高阻端的交点Rh和切线在低阻端的交点Rl，算出Rc。

降值比ψ：描述阻值下降的快慢，即标称电阻R25与最小电阻比值Rmin的对数，即

降值比越大，开关特性越好。由于CTR电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、报警、无触点开关等场合。1.1.2热敏电阻

五邑大学热敏电阻的结构热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方，高温烧结而成。其形状有珠状、片状、棒状、圆片状等。（b）片状（c）棒状（d）圆片状图热敏电阻的结构类型（a）珠状玻璃壳热敏电阻引线1.1.2热敏电阻

与金属电阻相比，热敏电阻的优点（1）温度电阻系数比金属热电阻要大10-100倍，因此灵敏度很高。（2）电阻率很大可以制成体积小而阻碍值大的电阻体，连接导线的电阻变化可以忽略不计。（3）时间常数小，响应速度快。（4）结构简单，价格便宜。热敏电阻的缺点（1）复现性差，特性分散性很大，非线性严重（2）电阻与温度的关系不稳定，随时间而变化，使测温误差较大（3）测温范围较窄，目前只能达到-50～300℃。1.1.2热敏电阻

五邑大学例：分析如图示的热敏电阻设计一个高温报警器工作原理。高温报警器正常情况绿灯亮，有险情时电铃报警。可供选择的器材如下：热敏电阻、绿灯泡、小电铃、学生用电源、继电器、滑动变阻器、开关、导线。解：aedcb正常时热敏电阻值大，ab间电流小，磁性弱，ce处于闭合，绿灯亮。有险情时，热敏电阻值小，ab间电流大，磁性强，吸住衔铁，cd闭合，ce断开，绿灯灭，电铃响。1.1.2热敏电阻

五邑大学传感器原理及应用思考为什么半导体的电阻值会随着温度变化呢？1.1.3半导体热电阻温度传感器1.1.3半导体热电阻温度传感器

利用电阻率随温度变化的特性制成温度传感器。一、工作原理半导体的导电能力：载流子的迁移载流子：电子和空穴半导体材料的电阻率：

n为材料的电子浓度为电子迁移率

p为材料的空穴浓度为空穴迁移率

q为电子电量1.1.3半导体热电阻温度传感器

本征半导体：纯净的半导体，共价键结合能力很强，导电能力弱，在热力学温度零度时，不导电。电子和空穴浓度相等。

电阻率ρ主要决定于载流子(电子或空穴)的浓度和迁移率，二者都与温度密切相关。本征半导体P型半导体N型半导体半导体1.1.3半导体热电阻温度传感器

P型半导体：

在4价元素(硅、锗)的晶体中掺入少量的3价杂质元素(硼、镓、铟)，组成共价键时，缺少一个电子，形成空穴，主要依靠空穴导电。N型半导体材料：

在4价元素(硅、锗)的晶体中掺入少量的5价杂质元素(磷、锑ti、砷)，组成共价键时，多余一个电子，形成自由电子，主要依靠电子导电。

1.迁移率与温度的关系

q为电子电量M为载流子的有效质量A、B为常数Ni为掺杂浓度1.1.3半导体热电阻温度传感器

－10020010104N升高2.电阻率与温度的关系

本征半导体：

电阻率ρ主要由本征载流子浓度决定，由于浓度随温度上升急剧增加，因而电阻率ρ随温度增加下降。杂质半导体：

受杂质电离和本征激发影响，电阻率ρ随温度的变化关系复杂。

1.1.3半导体热电阻温度传感器

二、硅热电阻的结构和工艺

棒状、扩散电阻型两种结构1.1.3半导体热电阻温度传感器

1.电阻一温度特性正向偏置时:55～175℃，电阻值随温度的升高而增大，具有较好的线性度。反向偏置时：

120℃以上时，电阻值突然下降。三、硅热电阻的特性1.1.3半导体热电阻温度传感器

2.

电阻温度系数αT

1.1.3半导体热电阻温度传感器

随着温度升高，αT

减小。3、硅电阻与电流的关系v不同的温度下，当电流超过1mA时，电阻就会增大。v电流的自身热效应使电阻增大。v工作电流应小于1mA。1.1.3半导体热电阻温度传感器

电阻式温度传感器的应用:

（1）温度测量（2）温度补偿电阻式温度传感器的应用（3）温度控制：用热敏电阻与一个电阻相串联，并加上恒定的电压，当周围介质温度升到某一数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安。因此可以用继电器的绕阻代替不随温度变化的电阻。当温度升高到一定值时，继电器动作，继电器的动作反应温度的大小，所以热敏电阻可用作温度控制。（4）过热保护电阻式温度传感器的应用1、热电偶的特点

测量范围宽、性能稳定、准确可靠、信号可以远传和记录。2、热电偶的分类（1）热电偶材料分：贵金属、廉价金属、难熔金属和非金属。（2）按用途和结构分：普通工业用（直形、角形和锥形）和专用（钢水消耗、多点式和表面测温）。1.2热电偶1.2热电偶热电偶：

利用两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器。通常我们称这种现象为热电势，这种现象就是热电效应。

五邑大学常温下两触点分离。温度升高，两种金属膨胀性能不同，双金属片形状发生变化，使触点接触。温度传感器的应用——电熨斗双金属片温度传感器：五邑大学铜的膨胀系数大于铁双金属片温度传感器1.2热电偶热电偶：

利用两种不同的金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器。通常我们称这种现象为热电势，这种现象就是热电效应。

1.2.1热电偶的基本原理一、热电效应(塞贝克效应):

用两种不同的金属组成闭合回路，且使其两接触点处温度不同，回路中就会产生电流。塞贝克电势EAB(T,T0)

热电势率(塞贝克系数)αTAB热电效应珀尔贴效应汤姆逊效应1.2.1热电偶的基本原理1.珀尔帖效应珀尔帖电势(接触电势)同温度、两种金属、自由电子密度不同、扩散K0为波尔兹曼常数q电子电量nA、nB为金属A、B在温度T的自由电子密度1.2.1热电偶的基本原理

бA称为汤姆逊系数表示温差1℃时产生的电势差2.汤姆逊电势(温差电势)

均质导体棒、两端温度不同、高、低温端的自由电子动能不同、扩散1.2.1热电偶的基本原理热电偶回路的总热电势EAB1.2.1热电偶的基本原理五邑大学传感器原理及应用思考两相同材料组成热电偶时，回路电势为多少？1.2.1热电偶的基本原理回路总电势为零五邑大学传感器原理及应用思考两结点温度相同时，回路电势为多少？1.2.1热电偶的基本原理回路总电势为零由此可得有关热电偶的几个结论(1)热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总热电势为零。(2)尽管采用两种不同的金属，若热电偶两接点温度相等，即T=T0，回路总电势为零。(3)只有两不同材料组成热电偶、且T,T0不同，才有热电势出现；温差越大，回路的总电势也越大。（4）热电势只与结点温度有关，与中间各处温度无关。1.2.1热电偶的基本原理当热电偶材料一定时，热电偶的总电势成为温度T和T0的函数差。即如果使冷端温度T0固定,则对一定材料的热电偶，其总电势就只与温度T成单值函数关系，即

1.2.1热电偶的基本原理二、热电偶的基本定律1.均质导体定律：两均质金属的热电势大小与热电极的直径、长度及沿电极长度方向上的温度分布无关，只与热电极材料和温度有关。2.标准电极定律：两种金属的热电势可用它们分别与第三种金属的热电势之差来表示。1.2.1热电偶的基本原理1.2.1热电偶的基本原理（2）标准电极定律当温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势之代数和，即导体C称为标准电极，故把这一定律称为标准电极定律。3.中间导体定律

在热电偶的参考端接入第三种均质金属,被插入金属两端温度相同（T0），只要所插入的导体两端温度与参考点相同，不会影响原来热电势的大小,即中间导体定律。

1.2.1热电偶的基本原理4.中间温度定律

热电偶的接点温度为T、T0时，其热电势等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时相应的热电势的代数和。1.2.1热电偶的基本原理五邑大学传感器原理及应用思考制作热电偶的材料有什么要求？1.2.2热电偶的种类和结构一、热电极材料特性

1.热电性质稳定，足够的物理、化学稳定性，不易氧化和腐蚀。2.热电势要足够大，易于测量、单值关系、误差小。3.电阻温度系数小，电导率高。4.材料复制性好、机械强度高、工艺简单，价格便宜。1.2.2热电偶的种类和结构1.2.2热电偶的种类和结构热电偶标准化热电偶非标准化热电偶1、标准化热电偶铂铑－铂热电偶铂铑－铂铑热电偶镍铬－镍硅热电偶镍铬－镍铝热电偶镍铬－考铜热电偶铜－康铜热电偶v铂铑－铂热电偶

用于较高温度、较精密的测量、热电势较小。不能用于金属蒸气和还原性气氛中。v铂铑－铂铑热电偶

可长期测量160oC高温，性能稳定、精度高，适于在氧化性或中性介质中测量，室温下热电势较小，不需要参考端补偿和修正。v铜－康铜热电偶v镍铬－镍硅热电偶v镍铬－镍铝热电偶v镍铬－考铜热电偶热电势较大，测温范围小。1.2.2热电偶的种类和结构2、非标准化热电偶铁－康铜热电偶测温上限6000C，易生锈，线性好，灵敏度高。钨－钼热电偶测温上限21000C，易氧化，加石墨保护管。钨－铼系热电偶

测温上限21000C。1.2.2热电偶的种类和结构v金属非标准化热电偶热解石墨热电偶二硅化钨－二硅化钼热电偶1.2.2热电偶的种类和结构v非金属非标准化热电偶复制性差，没有统一的分度表，应用受到很大限制。热电偶的结构

1、普通型热电偶:通常都是由热电极、绝缘材料、保护套管和接线盒等主要部分组成。

2、铠装热电偶:铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管经拉伸加工而成的组合体，其结构分单芯和双芯两种。1.2.2热电偶的种类和结构三、热电偶的结构

珠形绝缘子热电偶双孔绝缘热电偶石棉绝缘管热电偶

有两个热电极，两个电极的一个端点紧密焊接在一起。热电极间通常用耐高温绝缘材料绝缘。1.2.2热电偶的种类和结构四、热电偶的冷端温度补偿

1.2.2热电偶的种类和结构为什么要进行冷端温度补偿？由热电偶的作用原理可知，热电偶热电动势的大小，不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，是测量端温度t和冷端温度t0的函数差。四、热电偶的冷端温度补偿

1.恒温法将热电偶的冷端置于恒温器中，若恒温器温度调到0℃，电压表读数对应的温度为实际温度，即冷端温度误差得到解决。1.2.2热电偶的种类和结构冷端恒温示意图

这种办法最为妥善，然而不够方便，所以仅限于科学实验中应用。若恒温器温度为T0℃，则冷端误差为：

T0恒定时，冷端误差为常数，只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始值就能实现完全补偿。1.2.2热电偶的种类和结构

在热电偶和测量仪表之间接入一个电桥补偿器。当热电偶冷端温度T升高时，回路中总电势降低，同时补偿器中RT变化，使ab间产生一个电位差，设计使该电位差正好补偿热电偶降低的量，实现自动补偿。2.冷端自动补偿法冷端自动补偿原理图

1.2.2热电偶的种类和结构热电偶常用测温线路

1、测量某点温度的基本电路

2、测量两点之间温度差的测温电路

热电偶的应用3、测量多点的测温线路

多个被测温度用多支热电偶分别测量，但多个热电偶共用一台显示仪表，它们是通过专用的切换开关来进行多点测量的。热电偶的应用4、测量平均温度的测温线路:其缺点是当某一热电偶烧断时，不能很快地觉察出来。5、测量几点温度之和的测温线路:优点是热电偶烧坏时可立即知道，还可获得较大的热电动势。热电偶的应用1.3半导体PN结型温度传感器

1.3.1PN结型温度传感器

一、二极管温度传感器

是利用PN结正向电压与温度关系的特性制作的。由PN结理论可知，I0为反向饱和电流，B、η与材料和工艺有关常数，qVg0为禁带宽度。当If不变时，PN结Vf随T的上升而下降，近似线性关系。1.3半导体PN结型温度传感器

二、晶体管温度传感器

在晶体管集电极电流恒定下，发射结的正向电压随温度上升而下降。晶体管比二极管有更好的线性和互换性。1.基本原理

Vg0=Eg0/q，A为发射结面积、n与材料和工艺有关的常数，当Ic一定且T不太高时，Vbe基本与T线性关系；当温度较高时，产生一定的非线性偏移。2.晶体管温度传感器的结构由晶体管原理知

检测温度时温敏三极管必须附加外围电路。外围电路包括参考电压源﹑运放﹑线性电路等部分。1.3半导体PN结型温度传感器

3、晶体管温度传感器基本电路

由运放和温敏三极管组成，C防止寄生振荡。T为反馈元件跨接在运放的反相输入端和输出端，基极接地。

T的集电极Ic仅取决于Rc和电压E,Ic=E/Rc，与温度无关，保证了恒流源工作条件。电压Vbe随T近似线性下降。1.3半导体PN结型温度传感器

五邑大学集成IC温度传感器的分类电压型IC温度传感器μPC616A／C，LM135，AN670l等电流型IC温度传感器AD590，LM134数字输出型IC温度传感器DS1B820，ETC-800等1.3半导体PN结型温度传感器

五邑大学电流型IC温度传感器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。电压型IC温度传感器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，故不适合长线传输。这类IC温度传感器特别适合于工业现场测量。1.3半导体PN结型温度传感器

2.8

集成数字温度传感器2.8.2电压型集成温度传感器μPC616A／C

四端电压输出型传感器框图:它由PTAT核心电路、参考电压源和运算放大器三部分组成，其四个端子分别为U+、U-、输入和输出。该类型传感器的最大工作温度范围是-40℃～125℃，灵敏度是10mV／K，线性偏差为0.5%～2%，长期稳定性和重复性为0.3%，精度为±4K。1.3半导体PN结型温度传感器

基本应用电路1.3半导体PN结型温度传感器

温度检测电路1.3半导体PN结型温度传感器

电流型集成温度传感器AD5901、性能特点①线性电流输出：1μA／K。②工作温度范围：-55℃～155℃。③两端器件：电压输入,电流输出。④激光微调使定标精度达±0.5℃。⑤整个工作温度范围内非线性误差小于±0.5℃。⑥工作电压范围：4V～30V。⑦器件本身与外壳绝缘。1.3半导体PN结型温度传感器

2、简单应用：温度测量和温差测量1.3半导体PN结型温度传感器

多点温度测量1.3半导体PN结型温度传感器

五邑大学美国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1.3半导体PN结型温度传感器

五邑大学

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。

1.3半导体PN结型温度传感器

五邑大学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)1.3半导体PN结型温度传感器

五邑大学

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ROM单线接口、存放中间数据的高速存储器（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存储器DS1820内部结构图8位CRC触发器1.3半导体PN结型温度传感器

五邑大学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1.3半导体PN结型温度传感器

五邑大学64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。(2)64位ROM8位自身代码48位产品序列号8位CRC校验码五邑大学主机操作ROM的命令有五种，如表所列指

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(2)64位ROM五邑大学由便笺式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。

(3)高速存储器五邑大学

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）将数据写入高速存储器的第0和第1字节中复制（48H）将高速存储器中第2和第3字节复制到EERAM读EERAM（B8H）将EERAM内容写入高速存储器中第2和第3字节读电源供电方式（B4H）了解DS1820的供电方式五邑大学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。DS1820测量温度电路框图如图所示。DS18B20的测温原理内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55℃时的值，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55℃。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。DS18B20的测温原理五邑大学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3.4-1给出了DS1820温度和数字量的对应关系。温度表示值为9bit，高位为符号位。五邑大学温度/℃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

DS1820传感器在执行完温度转换后，温度值分别与下限温度报警触发寄存器（TL）及上限温度报警触发器（TH）进行比较，其中报警触发寄存器TH及TL第7位（S位）为符号位，如果设定的温度为正着S=0。如果设定的报警温度为负着S=1。TH和TL分别存储在高速存储器的2、3字节上，温度数据位的第4位到第7位与TH和TL进行比较，如果测量的温度低于或等于TL或者测量的温度高于TH时，DS1820内部的报警状态置位，并对系统主机发出告警搜索命令做出响应，系统主机利用告警搜索命令即可搜索到正在报警的器件，并读出其产品号。五邑大学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……五邑大学

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。

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。五邑大学为保证在有效的DS1820时钟周期内，提供足够的电流，我们用一个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。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。每一片DSl820在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROM中。主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DSl820的序列号读出。当主机需要对众多在线1820的某一个进行操作时，首先要发出匹配ROM命令（55H）。接着主机提供64位序列（包括该1820的48位序列号），之后的操作就是针对该DSl820的。先发送跳过搜索ROM命令，之后的操作是对所有DS1820的。多点测温的原理基本流程程序发送跳过搜索ROM命令。发出统一的温度转换启动码44H，就可以启动所有DSl820进行温度变换。然后匹配ROM命令（55H），再逐一地读回每个DSl820的温度数据。根据多点测温的原理，其基本流程如图：复位跳过搜索ROM命令发出温度转换命令（44H）延时1s复位匹配1号DSl8B20（55H）读取1号温度复位匹配2号DSl8B20（55H）读取2号温度第N号多点测温基本流程图1.4其它温度传感器物体的热辐射作用随物体温度变化非接触测量热惯性小1.4.1热辐射温度传感器一、全辐射高温计v理论基础：斯蒂芬－玻尔兹曼定律：全部辐射能Eb=σ0T4。v方法：用绝对黑体接收被测对象发出的所有波长的全部辐射能量Eb，黑体温升反映被测温度

。v构成：绝对黑体：一定面积、表面粗糙并涂黑的铂片。热电偶测温：铂片接收热量、温度升高，铂片温度由热电偶堆测出，由毫伏表或电位差计读数。红外线吸收体热电偶Si3N4SiO2Si3NSi辐射温度计的结构图1.4其它温度传感器工作原理：被加热时，物体的颜色随温度T改变，温度愈高，物体愈亮。理想黑体的光谱辐射亮度用普朗克公式表示：

C1、C2为普朗克常数，λ为波长，T为绝对温度。

二、光学高温计1.4其它温度传感器精密仪表，常用于1064.43oC以上温度的测量。

当波长一定时，物体的亮度只与温度T有关，即单波长测量原理。

方法：利用经过温度刻度的钨丝灯发出的单色亮度和被测物体的单色辐射亮度