新型温度传感器及其在生活中的应用

新型温度传感器及其在生活中的应用
摘要：在我们生活的环境中，温度与我们息息相关，为了提高生活质量，通常会对其进行监测和控制。

而温度传感器作为一种检测工具是不可缺少的。

随着科学技术的发展，温度传感器也在不断的进步着。

本文详细介绍了几种新型温度传感器及其在生活中的应用，并对传感器的发展进行了展望。

关键词：新型温度传感器检测技术应用
检测技术是人们为了对自然界物质进行定量掌握或定性判断所采取技术措施的总称。

它是在测量、检验、检定等概念和技术基础上发展起来的综合性技术学科。

检测的目的是为了获得定量分析和定量判断的信息，检测技术则被广泛的应用于生产、实验、生活以及科学研究的各个领域，从而达到控制生产过程中的参数，检测试验精准度等目的。

以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识、自然的有力工具。

1.传感器简介
1.1传感器的定义
传感器是能感受被测对象、并按照一定归路转换成可用以输出信号的器件（部件）或装置。

由于结构和应用领域的不同，又可称为敏感元件、探测器、变换器、换能器等。

传感器技术是关于传感器设计、制造及应用的综合技术，是现代信息技术的重要基础之一，是获取信息的工具。

1.2传感器的分类
传感器大概可以分为以下九类：
（1）按传感器的所属学科分类可分为物理型、化学型和生物型。

（2）按传感器的转换原理分类可分为电阻式、电感式、电容式等。

（3）按传感器的用途分类可分为温度、压力、流量等。

（4）按传感器的转换过程中的物理现象分类可分为结构型和物性型。

（5）按传感器的转换过程中的能量关系分类可分为能量转换型和能量控制型。

（6）按传感器输出量的形式分类可分为模拟式和数字式。

（7）按传感器的功能分类可分为传统型和智能型。

（8）按传感器输出参数分类可分为
（9）按传感器的转换原理分类可分为电阻型、电容型、电感型及互感型等。

2、新型温度传感器
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。

温度传感器随温度变化而引起物理参数变化的有: 膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性、频率、光学特性及热噪声等。

由于我们平时所使用的各种材料、元件的性能几乎都随温度的变化而变化,
因而, 它们似乎都能作为温度传感器来使用。

按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类: 接触式和非接触式。

接触式
温度传感器的测温元件与被测对象有良好的热接触, 通过热传导及对流原理达到
热平衡。

这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须与被测介质接触, 而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器. 这类传感器主要有红外线测温传感器. 这种测温方法的主要特点是可以一测量运
动状态物体的温度(如慢速行驶的火车的轴承温度、旋转着的水泥转窑的温度)及
热容量小的物体(如集成电路中的温度分布)。

综上可知，传感器的种类很多，而温度传感器的种类也不少，所以现在主要
介绍几种新型温度传感器及其应用。

2.1半导体温度传感器（以MOTORLA公司生产的温度按传感器为例）--集成温
度传感器
2.1.1特点：
(1)温度精度高，如MTS102为士2 ℃；
(2)VBE(基极一射极电压)与温度之间呈线性关系;
(3) 价格低廉, 每片为几元人民币;
(4) 精确的温度系数, 最小值可达一28 m V / ℃ ;
(5) 快热时间常数(液体为3 秒空气为8 秒);
(6) 互换性好
2.1.2半导体温度传感器的常用特性曲线
(l)VBE与环境温度的关系
（2）VBE与温度系数的关系：基极一射极电压与温度系数的关系曲线如下图所示。

2.1.3典型应用电路
（1）绝对温度测量电路绝对温度的实际测量电路如图所示。

图3中温度传感器的输出接到同相单位增益缓冲放大器(它由1/4 的M LM3 24 运放组成)。

由于该放大器具有输人阻抗高输出阻抗的特氛所以可减小放大器对传感器所取的信号电流，亦可减小负载变化对放大倍数的影响。

后面一级为反相输人放大器, 把传感器微弱的信号加以放大, 以满足各种变换(如A /D, V /F 等)的需要。

对于已知温度, 只要调节又月RCAL, 使输出V OUT = 所测温度x l0mv。

因此, MIS 102/ 103/ 10 5 的输出可转换为V OUT= 100mV
/F (或℃ , K )。

（2）温差测量电路
实际温差测量电路如图4 所示。

由于要测量温度差值, 所以电路中必须要用到两个温度传感器。

而两个温度传感器分别经同相单位增益放大器缓冲后, 再接到差分放大器的两端, 根据V 仅兀的极性和大小, 即可知道两个温度传感器哪个测得的温度高及温差大小. 为了测温的精度这里要求两个传感器的性能要相同或相近, 这样在同一温度下, 可调节到VOUT=0.000V .
（3）温度传感器与微控制器的接口电路
MTS 102 温度传感器与微控制器的接口电路如图5 所示。

图中, MTS 102 的B 、C 极连在一起作为温度传感器PN 结的正端, 且与ICI A 的同相端相连, 这样ICI A 实际上组成一个同相输人放大器.由于同相输人电压大于反相端电压, 所以放大器输出为正的电压, 该电压对电容0.0047uF进行充电。

随着充电电压增大直到V BE= u(分压系数)×VBB （2N2646BI、B2之间的电压）+VD （2N2646PN 结正向压降）时，2N2646导通，此时电容0.0047uF通过EBI结放电，接着电容又开始重新充电并重复上述过程, 结果在ICI A 的输出端形成锯齿波电压, 尔后经过RC 组成的微分电路, 此时信号较弱, 所以必须经过一级同相放大器放大到微控制器所能接受的频率信号。

当温度升高时MTS 102 的VBE降低, 0.0047uF 电容充电时间变短, 给微控制器输出的频率增高; 反之, 当温度下降时, MTS102的VBE 升高, 0.0047uF电容充电时间变长, 则给微控制器输出的频率减小。

2.2总线式温度传感器（以DS18B20数字温度计为例）
2．2.1 DS18B20的主要特点
（1）采用独特的“一线制”通信方式，信号符合TTL电平逻辑;
（2）温度测量范围为-55℃～125℃，以0.5 ℃增减；
（3）内部有温度上、下限报警设置；
（4）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；
（5）可编程的温度转换分辨率，可根据应用需要在9 bit～12 bit之间选取；
（6）在12 bit温度转换分辨率下，温度转换时间最大为750ms;
（7）DS18B20采用节能设计，在等待状态下功耗近似为零
2.2.2基于DS18B20的数字温度计
下图为DS18B20与单片接口设计
3.新型温度传感器在生活中的应用
温度传感器可以说是无所不在,空调系统、冰箱、电饭煲、电风扇等家电产品以至手持式高速高效的计算机和电子设备，均需要提供温度传感功能。

3.1新型温度传感器在计算机中的应用
计算机中的中央处理器的运行速度愈快，所耗散的热量便愈多，为免计算机系统过热而受损，有关系统必须加强温度过高保护功能。

另一方面，若系统进行高速无线传输，便需因频率的转变而提供温度补偿。

传统的温度传感器方式均受制于其封装体积、线性表现或准确度，但现在的新型温度传感器芯片不但功率消耗低、准确率高，而且比传统的温度传感器有更好的线性表现，最重要的一点是容易使用。

3.2新型温度传感器在汽车中的应用
车用传感器是汽车电子设备的重要组成部分，担负着信息收集的任务。

在汽车电喷发动机系统、自动空调系统中，温度是需测量和控制的重要参数之一。

发动机热状态的测量、气体及液体温度的测量，都需要温度传感器来完成。

因而车用温度传感器是必不可少的。

由于发动机工作在高温(发动机表面温度可达150℃、排气歧管可达650℃)、振动(加速度30g)、冲击(加速度50g)、潮湿(100%RH，-40℃-120℃)以及蒸汽、盐雾、腐蚀和油泥污染的恶劣环境中，因此发动机控制系统用传感器耐恶劣环境的技术指标要比一般工业用传感器高1-2个数量级，其中最关键的是测量精度和可靠性。

否则，由传感器带来的测量误差将最终导致发动机控制系统难以正常工作或产生故障。

新型温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃
油温度以及催化温度等。

温度用传感器有线绕电阻式、热敏电阻式和热偶电阻式三种主要类型。

三种类型传感器各有特点，其应用场合也略有区别。

线绕电阻式温度传感器的精度高，但响应特性差；热敏电阻式温度传感器灵敏度高，响应特性较好，但线性差，适应温度较低；热偶电阻式温度传感器的精度高，测量温度范围宽，但需要配合放大器和冷端处理一起使用。

3.3新型温度传感器在家用电器中的应用
新性温度传感器广泛应用于家用电器(微波炉、空调、油烟机、吹风机、烤面包机、电磁炉、炒锅、暖风机冰箱、冷柜、热水器、饮水机、洗碗机、消毒柜、洗衣机、烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等场合的温度测量与控制等)、医用/家用体温计，便携式非接触红外温度测温仪等等许多方面。

3.4新型温度传感器的在环境监测的应用
随着住房私有化和住宅小区工管理的推广，供热系统的规范化管理逐渐成为必需解决的重要问题，利用温度采集器对用户环境进行温度采样，并记录到数据库中为收费依据，对于闲置和不需供热的房间自动关闭，并采用了计算机远程管理技术，大大提高了供热系统的自动化程度。

4．新型温度传感器的发展方向
现代科学技术的迅猛发展为传感器的进步和发展创造了条件，同时也不断地向传感器提出更新更好的要求。

随着计算机技术、信号分析处理技术和监测理论的发展，传感器将向智能化、虚拟化、网络化及远程测控方向发展。

参考文献
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2、张朝晖主编：《检测技术及应用》[M]，北京：中国计量出版社，2005年10
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