温度传感器原理及应用

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查看2159 | 回复1 | 2011-9-11 16:48:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
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温度是表征物体冷热程度的物理量,是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各种传感器中居首位,约占50%。

    温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化,所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有:膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展,新型温度传感器还会不断涌现。

    由于工农业生产中温度测量的范围极宽,从零下几百度到零上几千度,而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传感器的种类与测温范围如下表所示。

测温传感器的种类与测温范围
测量原理种类测温范围(1℃)特征
体积热膨胀玻璃制水银温度计-20—+350不需要用电
玻璃制有机液体温度计-100—+100
双金属温度计0—+300
液体压力温度计-200—+350
气体压力温度计-250—+550
电阻变化铜电阻-50—+150精度中等,价格低
铂电阻-200—+600精度高,价格贵
热敏电阻低温-200—0精度低,灵敏度高,价格最低
一般-50—+30
中温0—+700
热电效应镍铬—考铜0500(-200—+800)测量范围宽,精度高,
需要冷端补偿
镍铬—镍硅0800(-200—+1250)
铂铑10—铂200—1400(0—1700)
铂铑30—铂铑200—1500(100—1900)
P—N结结电压变化半导体二极管-150—+150(Si)灵敏度高,线性度好,
二极管一类价格低
晶体管特性变化晶体管150—+150
半导体集成电路-40—+150
压电反应石英晶体振荡器-100—+200可作标准使用
频率变化SAW振荡元件0—+200
光学变化光学高温度计900—+2000非接触测量
热辐射辐射源温度传感器100—+2000
磁性变化热铁素体-80—+150在特定温度下变化
Fe-Ni-Cu合金0—350
电容变化BaSrT2O3陶瓷-270—+150温度与电容是倒数关系
物质颜色示温涂料0—1300检测温度不连续
液晶0—100颜色连续变化


     温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类:接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触,使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触,而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器,以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度(如慢速行使的火车的轴承温度,旋转着的水泥窑的温度)及热容量小的物体(如集成电路中的温度分布)。
    温度传感器的种类较多,我们介绍几种主要的温度传感器及应用电路。
PN结温度传感器

     

工作原理
    晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时,下降-2mV,利用这种特性,一般可以直接采用二极管(如玻璃封装的开关二极管1N4148)或采用硅三极管(可将集电极和基极短接)接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性,尺寸小,其热时间常数为0.2—2秒,灵敏度高。测温范围为-50—+150℃。典型的温度曲线如图1所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同,因此它们的互换性较差。




     

应用电路(一)
    图(2)是采用PN结温度传感器的数字式温度计,测温范围-50—150℃,分辨率为0.1℃,在0—100℃范围内精度可达±1℃。
    图中的R1,R2,D,W1组成测温电桥,其输出信号接差动放大器A1,经放大后的信号输入0—±2.000V数字式电压表(DVM)显示。放大后的灵敏度10mV/℃。A2接成电压跟随器。与W2配合可调节放大器A1的增益。
    通过PN结温度传感器的工作电流不能过大,以免二极管自身的温升影响测量精度。一般工作电流为100—300mA。采用恒流源作为传感器的工作电流较为复杂,一般采用恒压源供电,但必须有较好的稳压精度。
    精确的电路调整非常重要,可以采用广口瓶装入碎冰渣(带水)作为0℃的标准,采用恒温水槽或油槽及标准温度计作为100℃或其它温度标准。在没有恒水槽时,可用沸水作为100℃的标准(由于各地的气压不同,其沸点不一定是100℃,可用0—100℃的水银温度计来校准)。



    将PN结传感器插入碎冰渣广口瓶中,等温度平衡,调整W1,使DVM显示为0V,将PN结传感器插入沸水中(设沸水为100℃),调整W2,使DVM实现为100.0V,若沸水温度不是100℃时,可按照水银温度计上的读数调整W2,使DVM显示值与水银温度计的数值相等。再将传感器插入0℃环境中,等平衡后看显示是否仍为0V,必要时再调整W1使之为0V,然后再插入沸水,看是否与水银温度计计数相等,经过几次反复调整即可。

    图中的DVM是通用3位半数字电压表模块MC14433,可以装入仪表及控制系统中作显示器。MC14433的应用电路可参考本网站的常用A/D转换器中的技术手册。它的主要技术指标如下:
    基本量程:±1.999V(2V)
    线性误差:该读数的0.05%±1字
    电源:5—7.5V单电源
    平均功耗:300mW
    过量程时:数字闪烁
    DU脚接地时:数据可保持

应用电路(二)
    下面我们来看看利用不带A/D转换器的单片机实现测温的应用电路。

    这里我们选用内带一个模拟比较放大器的AT89C2051单片机来实现这一功能,AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位单片机,内带2k的Flash程序存储器,128字节的内部RAM,具有15个I/O口,6个中断源,只有20个引脚,价格也相当便宜,可谓价廉物美的单片机。详细的资料可参见本网站的“ATMEL单片机”中的AT89C2051。其中内含一个模拟比较放大器,P1.0是比较放大器的同相输入端,P1.1是比较放大器的反相输入端,这两个输入输出口内部并没有上拉电阻,比较放大器的输出端连至P3.6,也没有引出,但可用指令访问该引脚。





    在该单片机外接RC元件即可构成简单的,低精度的A/D转换电路,电路如图3所示,P1.0(同相端)接上RC充放电阻和电容,P1.1(反相端)作为外部被测温度电压的输入端,作为PN结温度传感器,本身输出电压较低,可参照上一节我们给出的放大电路,温度传感电压经放大后再引至单片机的输入端。P1.2充放电控制端通过一个数kΩ的电阻接正电源Vcc,因为R1远小于R2,可以认为在P1.2输出逻辑高电平时,电压是相当接近Vcc高电平的。

    电路工作过程如下:程序开始时,先置P1.2为逻辑低电平,并延时一小段时间,使P1.2为低电平,电容C经R2放完电,此时,P1.0=0V,而P1.1>0V,比较放大器输出“0”电平,接着置P1.2为高电平,同时定时器开始计时,当电容C上的电压Vc充到Vc=Vx时,P1.0与P1.1的电位相等,比较放大器的同相端和反相端电平相等时,输出端P3.6输出高电平,当扫描查询到P3.6为高电平时即停止计时,那么只要测得开始对电容充电到P3.6输出高电平的时间,通过换算即可得到外部被测温度电压的值。

    这里需要指出,从图4中我们可以看到,电容器的充电过程并非线性,其充电过程可以描述为:

    这个非线性特性,我们在单片机编程时,可以通过补偿和校正的方法加以解决,最常用的方法也是最简单的方法是通过查表的办法进行修正。这样便可满足一种低精度简易的温度测量要求。


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pmr68 | 2014-3-6 10:34:02 | 显示全部楼层
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