1、电子线路大作业院系：理学院物理系专业：光信息科学与技术学号：1091120221班级：光信息二班姓名：常恒心指导老师：齐明关于温度传感器的原理的探究摘要：随着科学技术的发展，用非电量的测量方法去测量非电量已不能满足工程测量要求，因而研究开发了新的测量技术非电量电测技术。非电量电测技术中的关键技术是研究如何将非电量转换成电量的技术传感器技术。而温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，在民用、工用、军用等领域的实际生产中越来越需要一种传感器能够采集温度信号进行处理。因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。温度
2、测量的关键是温度传感器，因此，对温度传感器原理相关知识的了解是当代大学生必须完成的任务。本篇文章首先通过对传感器相关知识进行介绍，并由此引入到对温度传感器分类、原理、特点以及应用的相关介绍。正文一、传感器综述1、传感器的作用现代信息技术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端。在一个现代自动检测系统中，如果没有传感器，就无法监测与控制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制。在现代技术中，传感器实际上是现代测试技术和自动化技术的基础。下图所
3、示为传感器典型应用的系统框图。2、传感器的概念最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。 图1-1传感器系统的框图传感器系统的原则框图示于图1-1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时
4、还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。因此，可以理解为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。3、传感器的分类传感器是一门知识密集型技术，其原理各种各样，它与许多学科有关，种类繁多，分类方法也很多，目前广泛采用的分类方法有以下几种。1、按传感器的工作原理：物理型、化学型、生物型；2、按传感器的构成原理：结构型(定理、数学公式)、物性型(材料有关)3、按能量转换：（
5、1）能量控制型：外加电源、应变电阻、热阻、光阻；（2）能量转换型：压电效应、热电效应、光电动势效应。4、按用途：位移、压力、温度、振动、电流、电压、功率等； 5、按物理型的分类：（1)电参量：电阻式、电感式、电容式；（2)磁电式：磁电感（3)压电式；（4)光电式：光栅、激光、光纤、红外、摄像；（5)热电式；（6）波式：超声波、微波；（7）半导体式；4、传感器的用途（1）生产过程的测量与控制在工农业生产过程中，对温度、压力、流量、位移、液位和气体成分等参量进行检测，从而实现对工作状态的控制。（2）安全报警与环境保护利用传感器可对高温、放射性污染以及粉尘弥漫等恶劣工作条件下的过程参量进行远距离测量
6、与控制，并可实现安全生产。可用于温控、防灾、防盗等方面的报警系统。在环境保护方面可用于对大气与水质污染的监测、放射性和噪声的测量等方面。（3）自动化设备和机器人传感器可提供各种反馈信息，尤其是传感器与计算机的结合，使自动化设备的自动化程度大大提高。在现代机器人中大量使用了传感器，其中包括力、扭矩、位移、超声波、转速射线等许多传感器。（4）交通运输和资源探测传感器可用于交通工具、道路和桥梁的管理，以保证提高运输的效率与防止事故的发生。还可用于陆地与海底资源探测以及空间环境、气象等方面的测量。（5）医疗卫生和家用电器利用传感器可实现对病患者的自动监测与监护，可进行微量元素的测定，食品卫生检疫等，尤
7、其是作为离子敏感器件的各种生物电极，已成为生物工程理论研究的重要测试装置。传感器在民用设备中的应用，为家庭生活提供了使用方便、性能安全可靠和节省能源的家用电器。二、温度传感器1，温度传感器分类及简明原理温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大
8、的测量误差。常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。非接触温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体
9、的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。热电偶是由两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，即回路中存在的电动势称为热电动势。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。 各种热电偶热电阻：导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200500温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具
10、有良好的线性关系。电阻率高，热容量小，反应速度快。材料的复现性和工艺性好，价格低。 热敏电阻温度特性在测温范围内化学物理特性稳定。2、温控电路图及其分析1、热电阻电路分析温度传感器信号采集放大电路此图是是应用热电阻温度传感器来采集信号的。当受控对象温度发生变化时，铂电阻的阻值随之发生变化。电路中表现为铂电阻两端的电压发生变化。因此，我们只需采集铂电阻两端的电压变化情况即可推算出温度的变化。但由于铂电阻的温度系数较小，铂电阻两端的电压变化情况不会很明显。所以在电路中我们使用放大电路将铂电阻两端电压放大后进行处理。温度传感器信号采集放大电路如上图所示。电路中铂电阻两端的电压，代入铂电阻的温度特性方
11、程得。传感器信号经采集放大后，仍是模拟信号，单片机不能直接处理。因此需要A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，一遍单片机对温度采样值进行显示和储存。半导体温度控制仪温度精度为0.2，因此采集温度的分辨率不能低于0.2，对应的电压为0.008V。因此所选用的A/D位数n应该满足n大于或等于11.6。上图为本系统A/D转换所选用的芯片ADS8321。它是一种高速、低功耗的16为串行逐次逼近型A/D转换芯片。通过这个转换器处理过的模拟信号就能被单片机进行处理，并且传输到计算机显示在我们面前。2、热电偶电路分析热电偶测温时, 它可以直接与显示仪表（如电子电位差计、 数字表等）配套使用, 也可与温度变
12、送器配套, 转换成标准电流信号, 图 1 - 12 为典型的热电偶测温线路。 如用一台显示仪表显示多点温度时, 可按图 1 - 13连接, 这样可节约显示仪表和补偿导线。特殊情况下, 热电偶可以串联或并联使用, 但只能是同一分度号的热电偶, 且参考端应在同一温度下。如热电偶正向串联, 可获得较大的热电势输出和提高灵敏度。在测量两点温差时, 可采用热电偶反向串联。利用热电偶并联可以测量平均温度。热电偶串、并联线路如图 1 - 14 所示。3、集成温度传感器集成温度传感器基本原理目前在集成温度传感器中, 都采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件。 上图是集成温度传感器基本原理图。其中T1和T2
13、是互相匹配的晶体管,I1和I2分别是T1和T2管的集电极电流, 由恒流源提供。T1和T2管的两个发射极和基极电压之差Vbe可用下式表示, 即:式中k-是波尔兹曼常数：q-是电子电荷量;T-是绝对温度;r -是T1和T2管发射结的面积之比。从式中看出, 如果保证I1/I2恒定, 则Vbe就与温度T成单值线性函数关系。这就是集成温度传感器的基本工作原理, 在此基础上可设计出各种不同电路以及不同输出类型的集成温度传感器。三、温度传感器的拓展应用炉温自动调节电路炉温的自动记录电路上面两个电路图实现了对锅炉内温度的自动调节和自动记录，达到一切自动处理的功能！四，温度传感器的发展趋势和前景现代信息技术的三
14、大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。在20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1C。国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换
15、器，分辨力一般可达0.50.0625C。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0.03125C，测温精度为0.2C。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。进入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。目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。可见，温度传感器发展前景一片大好，相信这里能给我们人类带来更多贡献。参考文献：1.陈杰，黄鸿.传感器与检测技术.高等教育出版社2.王俊峰等.现代传感器应用技术(第3版)J.北京机械工业出版社.20073. 金发庆.传感器技术与应用(第2版)M.北京机械工业出版社.20064. 高晓蓉.传感器技术(第2版)M.西南交通大学出版社.2003
