發布日期：2022-10-09 點擊率：70
[摘要]本文介紹了幾種常用溫度傳感器的原理，論述了智能溫度傳感器的現狀及發展趨勢。
[關鍵詞]傳感器敏感元件智能化
1 前言
溫度傳感器，使用范圍廣，數量多，居各種傳感 器之首。溫度傳感器的發展大致經歷了以下3個階段；
(1)傳統的分立式溫度傳感器（含敏感元件)，主 要是能夠進行非電量和電量之間轉換。
(2)模擬集成溫度傳感器/控制器。
(3)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、集成化向智能化及網絡化 的方向發展。
2 溫度傳感器的分類
溫度傳感器按傳感器與被測介質的接觸方式可分為兩大類：一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸 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，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這 時的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比 較高，并可測量物體內部的溫度分布。但對于運動的、 熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象，這種方法將會產生很大的誤差。
非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常 用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是 可測量運動狀態的小目標及熱容量小或變化迅速的對 象，也可測溫度場的溫度分布，但受環境的影響比較大。
3 溫度傳感器的發展
3.1傳統的分立式溫度傳感器——熱電偶傳感器 熱電偶傳感器是工業測量中應用最廣泛的一種溫 度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質的 影響，具有較高的精確度;測量范圍廣，可從-50~1600丈 進行連續測量，特殊的熱電偶如金鐵一鎮鉻，最低可 測到-269^，鎢一錸最高可達2800丈。
3.2集成（IC)溫度傳感器
3.2.1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制成的，因 此亦稱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年代問世的，它將溫度傳感 器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出等功能。
模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一（僅 測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸 距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫，不需 要進行非線性校準，外圍電路簡單。
3.2.2智能溫度傳感器
智能溫度傳感器（亦稱數字溫度傳感器）是在20 世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技 術和自動測試技術（ATE)的結晶。目前，國際上已開 發出多種智能溫度傳感器系列產品。智能溫度傳感器 內部包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲 器C或寄存器）和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU)、隨機存取存儲器（RAM)和 只讀存儲器（ROM)。
智能溫度傳感器能輸出溫度數據及相關的溫度控 制量，適配各種微控制器（MCU)，并且可通過軟件來 實現測試功能，其智能化取決于軟件的開發水平。
3.3智能溫度傳感器發展的新趨勢
3.3.1提高測溫精度和分辨力
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 0.5~0.06251。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 制數據，其分辨力高達〇.〇3125丈，測溫精度為±0.2丈。 為了提高多通道智能溫度傳感器的轉換速率，也有的 芯片采用髙速逐次逼近式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間僅為27μs、9μs。
3.3.2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 型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘（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 的方向發展，這為研制和開發多路溫度測控系統創造了良好條件。
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 可通過相應的寄存器來設定其A7D轉換速率（典型產 品為MAX6654)，分辨力及最大轉換時間（典型產品為 DS1624)。
3.3.3總線技術的標準化與規范化
智能溫度傳感器的總線技術也實現了標準化、規范化，所采用總線主要有單線（1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機可通 過專用總線接口與主機進行通信。
3.3.4可靠性及安全性設計
A/D轉換器大多采用積分式或逐次比較式轉換技 術，其噪聲容限低，抑制混疊噪聲及量化噪聲的能力 比較差?！?型智能溫度傳感器(例如TMP03/204、LM74、 LM83)普遍采用了高性能的S-A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漂 移都不會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、線性度好、成 本低等優點。
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。通常是將人體等效于由 100pF電容1.2kΩ電阻串聯而成的電路模型，當人體放電時，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人端均可承受1000V的靜電放電電壓。
最新開發的智能溫度傳感器還增加了傳感器故障 檢測功能，能自動檢測外部晶體管溫度傳感器（亦稱遠程傳感器）的開路或短路故障。MAX6654還具有選 擇“寄存阻抗抵消”（Parasitic Resistance Cancellation, 縮寫為PRC)模式，能抵消遠程傳感器引線阻抗所引 起的測溫誤差，即使引線阻抗達到100Q,也不會影響 測量精度。遠程傳感器引線可采用普通雙絞線或者帶 屏蔽層的雙絞線。
3.3.5虛擬溫度傳感器和網絡溫度傳感器行步距和設定步距。
A:托鋼位置；B:緩慢上升位；C:上升位置；D:緩慢前進位置；
E:前進位置；F:緩慢放鋼位；G:放鋼位；H:緩慢下降位；
I:下降位;J:緩慢后退位；K:后退位;L:起始位置
3 日常維護中常見故障
(1)調試階段故障
新位置傳感器的故障問題比較復雜，其特征是設 計、制造、安裝以及管理等質量問題交織一起。常見 的故障有安裝松動、位置難以調整穩定，也有屬于當 初設計欠妥，部件選擇不當，動作不平穩，定位精度 達不到要求。對待這類故障應該耐心細致，慎重處理， 逐一排除。
(2)運行初期和中期故障
調試后進人正常生產階段的故障特征是：插頭松 動或接觸不良，造成信號時有時無，管壁內進人雜質、 臟物，導致某些元件工作不穩定，線性關系被破壞，表 現為位置忽大忽小，極不穩定。一般到運行中期，系 統元件/組件處于最佳運行工作狀態，故障率較低。
(3)運行后期故障
位置傳感器運行一段時間后，各類元件/組件因為 工作頻率和負載條件的差異，易損件先后磨損超差，這 個階段的故障特征是位置反饋接觸不良、定位精度差、 穩定性下降、效率顯著降低、故障率逐漸增加。這時 應注意全面檢查，更換有關失效部件，應科學、嚴格 的下決心投資，子以全m修復，否則可能給運行人員 帶來很多的麻煩，甚至嚴重影響位置的正常調節和控制。
改善位置傳感器的工作環境和使用條件
位置傳感器的可靠性和壽命與使用情況、所處的 環境條件、人員知識等因素有著直接的關系。在維護 與管理上應改善其工作環境與使用條件，使之延長壽命。
虛擬傳感器是基于傳感器硬件和計算機平臺并通 過軟件開發而成的。利用軟件可完成傳感器的標定及 校準，以實現最佳性能指標。最近，B&K公司已開發 出一種基于軟件設置的TEDS型虛擬傳感器。
其主要特點是每只傳感器都有唯一的產品序列號 并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲著對該傳感器進行標 定的有關數據。使用時，傳感器通過數據采集器接至 計算機，首先從計算機輸入該傳感器的產品序列號，再 從軟盤上讀出有關數據，然后自動完成對傳感器的檢 查、傳感器參數的讀取、傳感器設置和記錄工作。
4 總結
隨著工業生產效率的不斷提高，自動化水平與范圍的不斷擴大，對溫度傳感器的要求也越來越高，主 要有以下幾個方面：
(1)擴展測溫范圍：隨著工業的發展，對超高溫、 超低溫的測量要求越來越迫切。
(2)提高測量精度：隨著電子技術的發展，信號處理儀表的精度有了很大的提高。
(3)擴大測溫對象：隨著工業和人們日常生活要求的提高，現在已由點測量發展到線、面測量。
(4)發展新產品，滿足特殊需要：在溫度測量中， 除了進一步擴展與完善管纜熱電偶、熱電阻，以及晶 體管測溫元件、快速高靈敏度的普通熱電偶外，根據 被測對象的環境，還提出了許多特殊的要求，如防硫、 防爆、耐磨的熱電偶，鋼水連續測溫，火焰溫度測量等。
(5)顯示數字化：溫度儀表不但具有讀數直觀、無 誤差、分辨率高、測量誤差小的特點，而且給溫度儀表的智能化帶來很大方便。
(6)檢定自動化：由于溫度校驗裝置將直接影響 溫度儀表質量的提高，我國已研制出用微型機控制的熱電偶校驗裝置。
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