温度传感器及其发展趋势
2019-09-0611:20:00164

  • 关键词: 温度传感器 工作模式 总线技术

  • 摘要:随着现代科技的发展,传感器技术的应用越来越广泛。其中,在传感器家族中占有重要地位的成员——温度传感器的应用也深入了各个领域

    1 温度的概念

            温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示,或者说,互为热平衡的两物体,其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越强烈。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标,摄氏温标,热力学温标。自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关,因此温度是工农业生产,科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。另外温度是工业对象中主要的被控参数之一,象冶金、机械、食品、化工各类工业中,广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等,对工件的处理温度要求严格控制。随着技术的发展,各种惯性器件的性能在不断提高,体积也在不断小型化。对于惯性器件(如加速度计、陀螺)性能的提高,温度补偿作为一种重要的修正方式越来越引起人们的注意,因此如何在惯性器件极小的空间内精确地测量、传输、处理温度信息,温度成了能否使其性能和体积优势进一步提高的关键问题。

    2 传感器的概念与分类

            随着现代科技的发展,传感器技术的应用越来越广泛。其中,在传感器家族中占有重要地位的成员——温度传感器的应用也深入了各个领域。

    2.1 传感器的概念

            从广义上讲,传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置;简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以传感器由信号感受器和信号转换器组成,它能够感受一定的信号并将这种信号转换成信息处理系统便于接收和处理的信号(如电信号和光信号),有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号,本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多,就其感知外界信息的原理来讲,可分为

    ①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。

    ②化学类,基于化学反应的原理。

    ③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

    通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

    2.2传感器的分类

            传感器分类方法很多,常用的有2种:一种是按被测的参数分,另一种是按变换原理来分。通常按被测的参数来分类,可分为热工参数:温度、比热、压力、流量、液位等;机械量参数:位移、力、加速度、重量等;物性参数:比重、浓度、算监度等;状态量参数:颜色、裂纹、磨损等。温度传感器属于热工参数。

            温度传感器按传感器于被测介质的接触方式可分为2大类:一类是接触式温度传感器,一类是非接触式温度传感器,接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,通过热传导及对流原理达到热平衡,这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高,并在一定程度上还可测量物体内部的温度分布,但对于运动的、热容量比较小的、或对感温元件有腐蚀作用的对象,这种方法将会产生很大的误差。

            非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。目前最常用的是辐射热交换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可测温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。

    3温度传感器

            温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查,1990年,温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始,人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的,这就是后来的热电偶传感器。五十年以后,另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下,本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应,根据波与物质的相互作用规律,相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

            智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE_)的结晶。目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU),并且可通过软件来实现测试功能,其智能化取决于软件的开发水平。

    4 温度传感器的发展阶段

    温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:

    (1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件),主要是能够进行非电量和电量之间转换。传统的分立式温度传感器——热电偶传感器。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器,它与被测对象直接接触,不受中间介质的影响,具有较高的精度;测量范围广,可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬,最低可测到-269℃,钨——铼最高可达2800℃。

    (2)模拟集成温度传感器/控制器。模拟集成温度传感器是采用硅半导体集成工艺制成的,因此又称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。

    (3)智能温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。

            温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类:一类是接触式温度传感器,一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,通过热传导及对流原理达到热平衡。这种测温方法精度比较高,并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象,这种方法将会产生很大的误差。

           非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可测量温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。

    5 智能温度传感器的发展

            21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。  

    5.1 提高测温精度和分辨力

            21世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1℃。目前,国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5~0.0625℃。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达0.03125℃,测温精度为�0.2℃。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。

    5.2 增加测试功能

            温度传感器的测试功能也在不断增强。例如,DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能,利用芯片内部256字节的E2PROM存储器,可存储用户的短信息。另外,智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

            传感器都具有多种工作模式可供选择,主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式,有的还增加了低温极限扩展模式,操作非常简便。对某些智能温度传感器而言,主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654),分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。  

    5.3 总线技术的标准化与规范化

           智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线。温度传感器作为从机可通过专用