铂电阻温度传感器教材

热电偶的工作原理
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两 端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产 生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热 电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中， 直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量 端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪 表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电 势。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发 生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特 性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求 比较高的场合
第三章 Pt100铂电阻具体设计与特 性分析
方案设计
本方案以AT89C51单片机系统为核心，对单点的温度 进行实时测量检测。并采用热电阻PT100作为温度传感器、 ADC0809作为A/D转换部件，对于温度信号的采集具有大 范围、高精度的特点。在功能、性能、可操作性等方面都 有较大的提升，具有更高的性价比。
DS18B20测温流程
初始化 DS18B20
跳过ROM 匹配
温度变换
延时1S
数码管显示
转换成显示码
读暂存器
跳过ROM 匹配
2.2 热电偶温度传感器
热电偶是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转 换成电势信号，配以测量信号的仪表或变换器，便可以实 现温度的测量和温度信号的转换热。电偶是接触法测温常 用的传感器之一。自1821年塞贝克发现热电效应起，热电 偶的发展已经历了一个多世纪，据统计，在此期间曾有 300余种热电偶问世，但应用较广的热电偶仅有四、五十 种，国际电工委员会(IEC)对其中被国际公认、性能优良 和产量最大的七种制定标准，即IEC584--1和684—2中所 规定的。S分度号 (铂铑10一铂)；B分度号（铂铑30一铂 铑6)；K分度号(镍铬一镍硅)；T分度号（铜一康铜)；E分 度号(镍铬一康铜);J分度号(铁一康铜);R分度号(铂铑13一 铂)等热电偶。
DS18B20温度传感器的性能特点： 1） 独特的单总线接口仅需要一个端口引脚进行通信,可以是 串行口也可以是其他I/O口，无须变换，直接输出被测温 度值（9位二进制，含符号位）。 多个DS18B20可以并联 挂接在一条总线上，实现多点温度采集检测功能； 2）可测温度范围为-55～+125℃，测量分辨率为0.0625℃； 3） 内含64位经过激光修正的只读存储器ROM； 4） 内含寄生电源，可直接通过数据总线供电，电压范围为 3.0～5.5V； 5） 零待机功耗； 6） 用户可通过编程分别设定各路的温度上、下限温度值来 实现报警功能； 7） 适配各种微处理器；
温度传感器
设计报告
成员：阴支航,杨翔宇,孙亮,那宇,钱超
第一章 温度测量文献综述
1.1温度测量的意义
温度是表征物体冷热程度的物理量。温度测量是指使 用测温仪表对物体的温度进行定量的测量。温度是一个和 人们生活环境密切相关物理量，也是在其他研究、生产、 科研、生活中需要测量和控制的物理量，同时也是最基本 的环境参数。人们的生活与坏境温度息息相关，物理、化 学、生物等科学都离不开温度。像太阳能热水器、电力、 石油、农业大棚经常需要对环境温度进行检测，并根据实 际的要求对温度进行控制。
1.2.1辐射温度测量技术
在自然界中，任何物体的温度如果超过绝对零度都会 不断地向周围空间发出红外辐射能量。因此，通过对物体 自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温 度。随着光电和红外探测器的发展,出现了多种多样的红 外测温仪。
辐射测温的特点: (1)测温范围从高、中温 向 中、低温部分拓展; (2)准确度和稳定性更高; (3)工作波段多样化, 可根据被测对象的特性选择; (4)从点测量发展到二维面测量; (5)红外测温仪具有小型化和智能化的特点; (6)从测量原理和方法上消除发射率影响,实现物体的温度测 量。
铂电阻的结构和性能
铂电阻常用的有两种：杆式和囊式。杆式的上限温度 很高可使其温度范围在-183°C—630°C和O°C— 1100°C，分别称为中温铂电阻和高温铂电阻。囊式铂电 阻的下限温度低，可使用于-263°C—+200°C，所以有 称为低温铂电阻。
Pt100铂电阻测量温度的方法 铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关 系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围 大、复现性和稳定性好等，被广泛用于中温(-200℃— 650℃)范围的温度测量中。
多光谱测温技术也逐步开始在科研和工程领域中得到 了应用。其原理是在一个仪器中制成多个光谱通道,利用 多个光谱的物体辐射能量信息,经过数据处理得到物体的 真实温度。该方法测量温度上限和测量准确度高、响应快， 受中间介质影响小,非常适合非透明火焰温度和高温表面 温度的测量。
1.2.2光纤温度测量技术
光纤测温技术是指光源发出的光经放大后，由光纤到 达传感器热敏材料部分，每一个传感器反射回一个与自身 温度相对应的窄谱脉冲光信号，信号处理部分对返回信号 列进行滤波采样和分析，从而确定每一个传感器温度的技 术。 分布式光纤测温系统是近年来发展起来的一种用于实 时测量空间温度场分布的传感系统,它是一种分布式的、 连续的、功能型光纤温度测量技术。其中,光纤既是传输 媒体也是传感媒体,利用光纤后向喇曼散射的温度效应,可 以对光纤所在的温度场进行实时测量,利用光时域反射技 术(OTDR)可以对测量点进行精确定位。分布式的结构使 得该系统能够实现实时快速多点测温。
1.2.3电量式温度测量技术
电量式测温方法主要利用材料的电势、电阻或其它电 性能与温度的单值关系进行温度测量,包括热电偶温度测 量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。 热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参 考端和测量端有温差时,就会产生热电势,根据该热电势与 温度的单值关系就可以测量温度。热电偶具有响应快，结 构简单,适宜远距离测量和自动控制的特点,应用比较广泛。
热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的, 输出信号大,准确度比较高,稳定性好,但元件结构一般比较 大,动态响应较差,不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。 热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏感 元件,具有灵敏度高、价格便宜的特点,但其电阻值和温度 的关系线性度差,且稳定性和互换性也不好。 随着电子技术的发展,可以将感温元件和相关电子线路 集成在一个小芯片上,构成一个小型化、一体化及多功能 化的专用集成电路芯片,输出信号可以是电压、频率,或者 是总线数字信号,使用非常方便,适用于便携式设备。
温度测量的重要性： 温度测量根据所应用的情况不同有不同的重要程度，但是 在很多领域的应用中其影响都不可小觑，对温度的检测不 仅可以及时反映状态，还能避免很多危险情况。如：对变 电站的温度测量、对物体表面的温度测量、对管道蠕变的 温度测量等，均能体现温度测量的重要性。
1.2温度测量现状
温度测量方面，世界各国均取得了许多可喜的成果。 前苏联的压电石英频率温度计分辨能力可达0.0001℃，理 论上可达0.00001℃，而且在-40℃~230℃范围内具有温 度与频率的线性特性；日本利用所谓石英温度频率转换器 -80℃~200℃的温度范围，最大分辨率达0.0001℃；美国 标准局研制的电阻温度计25欧标准铂电阻温度计，电桥分 辨0.00002℃；我国生产的石英温度传感器分辨率达到 0.0001℃，误差在0.05℃以内；中国航天工业总公司702 所研制的5901(STP-1000)型粘贴式测温片，其静态测温 精度为0.5%，快速响应时间小于0.013s。
金属热电阻是一种广泛应用的温度传感器。它以测量 精确，线性好，重复性好，测量范围大，体积小等特点被 用在很多场合，其中铂电阻传感器被定为测温的基准。金 属铂的电阻值随温度变化而变化基本成线形关系，并且具 有很好的重现性和稳定性，测量精度高，是目前公认制造 热电阻的最好材料。利用铂的此种物理特性制成的传感器 称为铂电阻温度传感器，铂电阻温度传感器精度高，稳定 性好，应用温度范围广，是中低温区(-200—650℃）最常 用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温及各种实 验仪器仪表等领域，而且被制成各种标准温度计(涵盖国 家和世界基准温度)供计量和校准使用。
热电偶大多具有以下优点：
(1)热电偶通常是由2种不同的金属丝组成。而且不受大小和 开头的限制，外有保护套管，结构简单，制造方便，使用 起来非常方便。 (2)测温精确度较高，反应速度快，直接与被测对象接触，不 受中间介质的影响，高温区的复现性和稳定性很好。 (3)由于测温显示电信号，便于信号的远传和记录，也有利于 集中检测和控制。 (4)热电偶体积小，热容量及热惯性均小。能用来测量点的温 度和壁面温度， 也能用来进行动态温度测量。 (5)品种规格多，测温范围广，在-27O℃到2800℃范围内有 相应产品可供选用。
测量方法 (1)电桥式测量方法 (2)恒流源式测量方法
方案分析对比：
方案一采用的传感器是DS18B20，这种传感器虽然硬件简单， 但是成本较高。 方案二的测量准确度难以超过0.2℃，而且必须有参考端，并 且温度要保持恒定，在高温或长期使用时，因受被测介质 影响或气氛腐蚀作用（如氧化、还原）等而发生劣化 方案三所使用的温度传感器准确度最高，且输出信号大，测 温范围广，稳定性好。最主要的是它的输出线性好。 因此本次设计将采用方案三进行具体设计与分析。
铂电阻的特点 金属热电阻有较高的灵敏度而且要求有较高的稳定性和复现 性，其中以铂电阻的精度最高．铂电阻不仅广泛用于工业 测量，更重要的事它还能制成标准的和基准的温度计． （1） 有较高的电阻一温度系数α
dR 1 1 dR . . R dt R dt
（2） 电阻率大 （3） 易提纯，复制性好，互换性好。 （4） 满足对温度传感器的基本要求．如灵敏度大，线性好， 复现性高，响应时间小，价格便宜，物理化学稳定等优点。
第二章 总体方案设计
2.1 DS18B20温度传感器
DS18B20是一种可组网的高精度数字式温度传感器， 具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。 由于其具有单总线的独特优点，可以方便的实现多点温度 的测量,使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温 度测量电路变得简单、可靠。DS18B20温度传感器系统 的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且能在恶劣的环境下 进行现场温度检测。
热电偶温度传感器的结构
（1）热电极 （2ຫໍສະໝຸດ Baidu绝缘材料套管 （3）保护管 （4）接线盒
热电偶温度传感器工作电路
2.3 PT100铂电阻温度传感器
在十九世纪末，人们就开始使用电阻法进行温度测量。 1871年西门子把铂丝绕在粘土上，然后再套上铁管构成电 阻感温元件，作为测温的工具。直到今天，铂电阻依旧是 国际实用温标中的一种重要的内插仪器。它的下限温度已 经延伸到平衡氢三相点温度(13.81K)，并且人们还在努力 把它的上限点提高到银的凝固点(+961.93°C)或金的凝固 点(+1064.43°C)，并用它来替代精确度稍差的铂铹一铂 标准热电偶。
8） 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警 条件）的器件； 9）负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧 毁，但不能正常工作； 10 可检测距离远，最远测量距离为150m 。
DS18B20的内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻 ROM，温度报警触发器,温度传感器以及高速缓存器。
存储器和控制逻辑 位 和 单线端口 暂存器 电源 探测 位 产生器
内部
温度传感器 上限触发 下限触发
DS18B20的测温原理： ds18b20器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的 影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所 产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一 个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数 振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数 门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前， 首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、 温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所 对应的一个基数值。