溫度傳感器及其發展趨勢
2019-09-0614:02:36102

  • 關鍵詞: 溫度傳感器 工作模式 總線技術

  • 摘要:隨著現代科技的發展,傳感器技術的應用越來越廣泛。其中,在傳感器家族中占有重要地位的成員——溫度傳感器的應用也深入了各個領域

    1 溫度的概念

            溫度是一個基本物理量。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示,或者說,互為熱平衡的兩物體,其溫度相等。溫度的微觀概念是大量分子運動平均強度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現越強烈。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量,而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點(零點)和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標,攝氏溫標,熱力學溫標。自然界中幾乎所有的物理化學過程都與溫度緊密相關,因此溫度是工農業生產,科學試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。另外溫度是工業對象中主要的被控參數之一,象冶金、機械、食品、化工各類工業中,廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應爐等,對工件的處理溫度要求嚴格控制。隨著技術的發展,各種慣性器件的性能在不斷提高,體積也在不斷小型化。對于慣性器件(如加速度計、陀螺)性能的提高,溫度補償作為一種重要的修正方式越來越引起人們的注意,因此如何在慣性器件極小的空間內精確地測量、傳輸、處理溫度信息,溫度成了能否使其性能和體積優勢進一步提高的關鍵問題。

    2 傳感器的概念與分類

            隨著現代科技的發展,傳感器技術的應用越來越廣泛。其中,在傳感器家族中占有重要地位的成員——溫度傳感器的應用也深入了各個領域。

    2.1 傳感器的概念

            從廣義上講,傳感器就是能感知外界信息并能按一定規律將這些信息轉換成可用信號的裝置;簡單說傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。所以傳感器由信號感受器和信號轉換器組成,它能夠感受一定的信號并將這種信號轉換成信息處理系統便于接收和處理的信號(如電信號和光信號),有的半導體敏感元器件可以直接輸出電信號,本身就構成傳感器。敏感元器件品種繁多,就其感知外界信息的原理來講,可分為

    ①物理類,基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應。

    ②化學類,基于化學反應的原理。

    ③生物類,基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。

    通常據其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

    2.2傳感器的分類

            傳感器分類方法很多,常用的有2種:一種是按被測的參數分,另一種是按變換原理來分。通常按被測的參數來分類,可分為熱工參數:溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機械量參數:位移、力、加速度、重量等;物性參數:比重、濃度、算監度等;狀態量參數:顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數。

            溫度傳感器按傳感器于被測介質的接觸方式可分為2大類:一類是接觸式溫度傳感器,一類是非接觸式溫度傳感器,接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸,通過熱傳導及對流原理達到熱平衡,這時的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高,并在一定程度上還可測量物體內部的溫度分布,但對于運動的、熱容量比較小的、或對感溫元件有腐蝕作用的對象,這種方法將會產生很大的誤差。

            非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是可測量運動狀態的小目標及熱容量小或變化迅速的對象,也可測溫度場的溫度分布,但受環境的影響比較大。

    3溫度傳感器

            溫度傳感器是最早開發,應用最廣的一類傳感器。根據美國儀器學會的調查,1990年,溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發明溫度計開始,人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學家賽貝發明的,這就是后來的熱電偶傳感器。五十年以后,另一位德國人西門子發明了鉑電阻溫度計。在半導體技術的支持下,本世紀相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應,根據波與物質的相互作用規律,相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

            智能溫度傳感器(亦稱數字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE_)的結晶。目前,國際上已開發出多種智能溫度傳感器系列產品。智能溫度傳感器內部包含溫度傳感器、A/D傳感器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器能輸出溫度數據及相關的溫度控制量,適配各種微控制器(MCU),并且可通過軟件來實現測試功能,其智能化取決于軟件的開發水平。

    4 溫度傳感器的發展階段

    溫度傳感器,使用范圍廣,數量多,居各種傳感器之首。溫度傳感器的發展大致經歷了以下3個階段:

    (1)傳統的分立式溫度傳感器(含敏感元件),主要是能夠進行非電量和電量之間轉換。傳統的分立式溫度傳感器——熱電偶傳感器。熱電偶傳感器是工業測量中應用最廣泛的一種溫度傳感器,它與被測對象直接接觸,不受中間介質的影響,具有較高的精度;測量范圍廣,可從-50~1600℃進行連續測量,特殊的熱電偶如金鐵——鎳鉻,最低可測到-269℃,鎢——錸最高可達2800℃。

    (2)模擬集成溫度傳感器/控制器。模擬集成溫度傳感器是采用硅半導體集成工藝制成的,因此又稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的,它將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出等功能。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等,適合遠距離測溫,不需要進行非線性校準,外圍電路簡單。

    (3)智能溫度傳感器。目前,國際上新型溫度傳感器正從模擬式想數字式、集成化向智能化及網絡化的方向發展。

            溫度傳感器按傳感器與被測介質的接觸方式可分為兩大類:一類是接觸式溫度傳感器,一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸,通過熱傳導及對流原理達到熱平衡。這種測溫方法精度比較高,并可測量物體內部的溫度分布。但對于運動的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象,這種方法將會產生很大的誤差。

           非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測穩方法的主要特點是可測量運動狀態的小目標及熱容量小或變化迅速的對象,也可測量溫度場的溫度分布,但受環境的影響比較大。

    5 智能溫度傳感器的發展

            21世紀后,智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發展。  

    5.1 提高測溫精度和分辨力

            21世紀90年代中期最早推出的智能溫度傳感器,采用的是8位A/D轉換器,其測溫精度較低,分辨力只能達到1℃。目前,國外已相繼推出多種高速度、高分辨力的智能溫度傳感器,所用的是9~12位A/D轉換器,分辨力一般可達0.5~0.0625℃。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器,能輸出13位二進制數據,其分辨力高達0.03125℃,測溫精度為?0.2℃。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例,它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉換時間分別僅為27μs、9μs。

    5.2 增加測試功能

            溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如,DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC),使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能,利用芯片內部256字節的E2PROM存儲器,可存儲用戶的短信息。另外,智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發展,這就為研制和開發多路溫度測控系統創造了良好條件。

            傳感器都具有多種工作模式可供選擇,主要包括單次轉換模式、連續轉換模式、待機模式,有的還增加了低溫極限擴展模式,操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言,主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉換速率(典型產品為MAX6654),分辨力及最大轉換時間(典型產品為DS1624)。  

    5.3 總線技術的標準化與規范化

           智能溫度傳感器的總線技術也實現了標準化、規范化,所采用總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用

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