常用溫度傳感器應用實(shí)例及發(fā)展趨勢簡(jiǎn)介

引言

傳感器是信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，被廣泛用于工農業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生等領(lǐng)域，尤其是溫度傳感器（PT100溫度傳感器），使用范圍廣，數量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器有3個(gè)發(fā)展階段：即傳統的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。本文主要介紹常用溫度傳感器應用實(shí)例及發(fā)展趨勢。

1、傳感器的分類(lèi)

溫度傳感器按傳感器于被測介質(zhì)的接觸方式可分為2大類(lèi):一類(lèi)是接觸式溫度傳感器，一類(lèi)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(guò)熱傳導及對流原理達到熱平衡，這時(shí)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(dòng)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(huì )產(chǎn)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(diǎn)是可測量運動(dòng)狀態(tài)的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測溫度場(chǎng)的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。

2、集成(IC)溫度傳感器應用實(shí)例

(1) 模擬集成溫度傳感器

集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的，因此亦稱(chēng)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(wèn)世的，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專(zhuān)用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價(jià)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、控測，不需要進(jìn)行非線(xiàn)性校準，外圍電路簡(jiǎn)單。目前在國內外仍普遍應用的一種集成傳感器，下面介紹一種具有高靈敏度和高精度的IC溫度傳感器-AN6701。

AN6701溫度傳感器由溫度檢測電路、溫度補償電路以及緩沖放大器3部分組成。IC溫度傳感器的檢測電路是利用晶體管對兩個(gè)發(fā)射極的電流密度差產(chǎn)生基極-發(fā)射極之間的電壓差(VbC)的原理而工作的。

(2) 智能溫度傳感器

傳感器(亦稱(chēng)數字溫度傳感器)是在20世紀90年代中期問(wèn)世的。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)(ATE)的結晶。目前，國際上已開(kāi)發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)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)。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數據及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU);并且它是在硬件的基礎上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現測試功能的，其智能化和諧也取決于軟件的開(kāi)發(fā)水平。

3、智能溫度傳感器發(fā)展的新趨勢

21世紀后，智能溫度傳感器正朝著(zhù)高精度、多功能、總線(xiàn)標準化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò )傳感器、研制單片測溫系統等高科技的方向迅速發(fā)展。

3.1 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(jìn)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(shí)間分別僅為27μs、9μs。

3.2 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(xiàn)智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)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(hù)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(fā)展，這就為研制和開(kāi)發(fā)多路溫度測控系統創(chuàng )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(jiǎn)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(guò)相應的寄存器來(lái)設定其A/D轉換速率(典型產(chǎn)品為MAX6654)，分辨力及最大轉換時(shí)間(典型產(chǎn)品為DS1624)。

3.3 總線(xiàn)技術(shù)的標準化與規范化

智能溫度傳感器的總線(xiàn)技術(shù)也實(shí)現了標準化、規范化，所采用總線(xiàn)主要有單線(xiàn)(1-Wire)總線(xiàn)、I2C總線(xiàn)、SMBus總線(xiàn)和SPI總線(xiàn)。溫度傳感器作為從機可通過(guò)專(zhuān)用總線(xiàn)接口與主機進(jìn)行通信。

3.4 可靠性及安全性設計

D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技術(shù)，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力比較差。新型智能溫度傳感器(例如TMP03/204、LM74、LM83)普遍采用了高性能的∑-Δ式A/D轉換器不僅能濾除量化噪聲，而且對外圍元件的精度要求低;由于采用數字反饋方式，因此比較器的失調電壓及零點(diǎn)漂移都不會(huì )影響溫度的轉換精度。這種智能溫度傳感器兼有抑制串模干擾能力強、分辨力高、線(xiàn)性度好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

為了避免在溫控系統受到噪聲干擾時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作，在A(yíng)D7416/7417/7817、LM75/76、MAX6625/6626等智能溫度傳感器的內部，都設置了一個(gè)可編程的故障排隊(fault queue)計數器，專(zhuān)用于設定允許被測溫度值超過(guò)上、下限的次數。僅當被測溫度連續超過(guò)上限或低于下限的次數達到或超過(guò)所設定的次數n(n=1～4)時(shí)，才能觸發(fā)中斷端。若故障次數不滿(mǎn)足上述條件或故障不是連續發(fā)生的，故障計數器就復位而不會(huì )觸發(fā)中斷端。這意味著(zhù)假定n=3時(shí)，那么偶然受到一次或兩次噪聲干擾，都不會(huì )影響溫控系統的正常工作。

76型智能溫度傳感器增加了溫度窗口比較器，非常適合設計一個(gè)符合ACPI(Advanced Configuration and Power Interface，即先進(jìn)配置與電源接口)規范的溫控系統。這種系統具有完善的過(guò)熱保護功能，可用來(lái)監控筆記本電腦和服務(wù)器中CPU及主電路的溫度。微處理器最高可承受的工作溫度規定為tH，臺式計算機一般為75℃，高檔筆記本電腦的專(zhuān)用CPU可達100℃。一旦CPU或主電路的溫度超出所設定的上、下限時(shí)，INT端立即使主機產(chǎn)生中斷，再通過(guò)電源控制器發(fā)出信號，迅速將主電源關(guān)斷起到保護作用。此外，當溫度超過(guò)CPU的極限溫度時(shí)，嚴重超溫報警輸出端(T_CRIT_A)也能直接關(guān)斷主電源，并且該端還可通過(guò)獨立的硬件判斷電路來(lái)切斷主電源，以防主電源控制失靈。上述三重安全性保護措施已成為國際上設計溫控系統的新觀(guān)念。

為防止因人體靜電放電(ESD)而損壞芯片。一些智能溫度傳感器還增加了ESD保護電路，一般可承受1000～4000V的靜電放電電壓。通常是將體等效于由100pF電容1.2kΩ電阻串聯(lián)而成的電路模型，當人體放電時(shí)，TCN75型智能溫度傳感器的串行接口端、中斷/比較器信號輸出端和地址輸入端均可承受1000V的靜電放電電壓。LM83型智能溫度傳感器則可隨4000V的靜電放電電壓。最新開(kāi)發(fā)的智能溫度傳感器(例如MAX6654、LM83)還增加了傳感器故障檢測功能，能自動(dòng)檢測外部晶體管溫度傳感器(亦稱(chēng)遠程傳感器)的開(kāi)路或短路故障。MAX6654還具有選擇寄存阻抗抵消(Parasitic Resistance Cancellation，英文縮寫(xiě)為PRC)模式，能抵消遠程傳感器引線(xiàn)阻抗所引起的測溫誤差，即使引線(xiàn)阻抗達到100Ω，也不會(huì )影響測量精度。遠程傳感器引線(xiàn)可采用普通雙絞線(xiàn)或者帶屏蔽層的雙絞線(xiàn)。

3.5 虛擬溫度傳感器和網(wǎng)絡(luò )溫度傳感器

虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺、并通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及校準，以實(shí)現最佳性能指標。最近，病因BK公司已開(kāi)發(fā)出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器，其主要特點(diǎn)是每只傳感器都有唯一的產(chǎn)品序列號并且附帶一張軟盤(pán)，軟盤(pán)上存儲著(zhù)對該傳感器進(jìn)行標定的有關(guān)數據。使用時(shí)，傳感器通過(guò)數據采集器接至計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號，再從軟盤(pán)上讀出有關(guān)數據，然后自動(dòng)完成對傳感器的檢查、傳感器參數的讀取、傳感器設置和記錄工作。

結束語(yǔ)

隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)效率的不斷提高，自動(dòng)化水平與范圍的不斷擴大，對溫度傳感器的要求也越來(lái)越高，歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面:擴展測溫范圍、提高測量精度、擴大測溫對象、發(fā)展新產(chǎn)品、顯示數字化、檢定自動(dòng)化。