pn结温度传感器的基本原理以及应用 温度传感器介绍

温度传感器介绍

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。

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。

温度传感器的工作原理

温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。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。两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。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。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。非接触式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。光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，待测参数温度与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位等)发生变化，称为被调制的信号光。再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。光纤温度传感器种类很多，但概括起来按其工作原理可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性(相位、偏振、强度等)随温度变换的特点，进行温度测定。这类传感器尽管具有传、感合一的特点，但也增加了增敏和去敏的困难。传输型光纤温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用，以避开测温区域复杂的环境。对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题，增加了系统的复杂性，且对机械振动之类的干扰比较敏感。

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