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传感器论文-温度传感器
仪器科学与光电工程学院
测控03-3班成员:钱光荣, 王菲菲,朱浩,王状,汤学生

温度传感器
  随着现代科技的发展,传感器技术的应用越来越广泛。其中,在传感器家族中占有重要地位的成员——温度传感器的应用也深入了各个领域。

一、传感器定义
  什么叫传感器?从广义上讲,传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置;简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件(感知元件)和转换器件两部分组成,有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号,本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多,就其感知外界信息的原理来讲,可分为①物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。②化学类,基于化学反应的原理。③生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气 敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将传感器分46类)。下面对常用的热敏、光敏、气敏、力敏和磁敏传感器及其敏感元件介绍如下。

MST型和 MSTB型温度传感器
二 、温度传感器及热敏元件
  温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多,市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛,这是因为在元件允许工作条件范围内,半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点,而且制造工艺简单、价格低廉。
  1 半导体热敏电阻的工作原理
    按温度特性热敏电阻可分为两类,
    随温度上升电阻增加的为
    正温度系数热敏电阻,
    反之为负温度系数热敏电阻。

⑴ 正温度系数热敏电阻的工作原理
   此种热敏电阻以钛酸钡(BaTio3)为基本材料,再掺入适量的稀土元素,利用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘材料,但掺入适量的稀土元素如镧(La)和铌(Nb)等以后,变成了半导体材 料,被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料,晶粒之间存在着晶粒界面,对于导电电子而言,晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时,由于半导体化钛酸钡内电场的作用,导电电子可以很容易越过位垒,所以电阻值较小;当温度升高到居里点温度(即临界温度,此元件的‘温度控制点’ 一般钛酸钡的居里点为120℃)时,内电场受到破坏,不能帮助导电电子越过位垒,所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢,具有恒温、调温和自动控温的功能,只发热,不发红,无明火,不易燃烧,电压交、直流3~440V均可,使用寿命长,非常适用于电动机等电器装置的过热探测。

⑵ 负温度系数热敏电阻的工作原理
  负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料,采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质,完全类似于锗、硅晶体材料,体内的载流子(电子和空穴)数目少,电阻较高;温度升高,体内载流子数目增加,自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多,使用区分低温(-60~300℃)、中温(300~600℃)、高温(>600℃)三种,有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点,广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路,如冰箱、空调、温室等的温控系统。
  热敏电阻与简单的放大电路结合,就可检测千分之一度的温度变化,所以和电子仪表组成测温计,能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为-55℃~+315℃,特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55℃,可达-273℃。

三、各种类型传感器
(一)数字温度传感器
TDC数字温度传感器(不锈钢封装的DS18B20传感器)TDC数字温度传感器采用美国Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20,传感器采用不锈钢外壳封装, 防水防潮。
  专门设计的传感器不锈钢外壳,仅有0.2mm的壁厚,具有很小的蓄热量,采用导热性高的密封胶,保证了温度传感器的高灵敏性,极小的温度延迟。
  TDC温度传感器支持“一线总线”接口(1-Wire),测量温度范围为 -55°C~+125°C,在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度
测量。

数字温度传感器与单片机构成测温系统  
   摘 要:LM92 I2C总线方式控制的数字温度传感器和MSP430单片机构成的测温嵌入式系统和Internet相连,并通过标准网络浏览器进行过程控制。

1-LM92数字温度传感器
  LM92是美国国家半导体公司近期生产的一种高精度数字温度传感器,他采用I2C总线方式 控制。内含12 b温度A/D转换器,工作电压:+2.7~+5.5 V;测温范围:-55~+150 ℃;精度:±0.333 ℃(30 ℃时);线形度:±0.5 ℃;温度刷新间隔:500 ms。内部有 16 b只读温度寄存器,通过I2C总线方式控制,可以存储测温数据,还可以设置窗口上、下限温度值,临界温度告警值。当测温数据偏离窗口上、下限温度范围,或临界温度值时,LM92可以产生中断请求信号INT或临界温度告警信号TCRITA。在同一条I2C总线上最多可连接4个LM92。LM92采用SO8脚封装,I2C总线由数据线SDA和时钟 线SCL构成;其输出为漏极开路,总线必须接有上拉电阻。

2-MSP430与I2C总线LM92的接口
  MSP430单片机与传统的51单片机在结构上有很大的区别。其中之一就是:在MSP430的外围接口电路中,没有提供像51那样控制外设读、写、地址锁存信号的硬件电路。与这种接口电路相适应, MSP430更倾向使用I2C总线以及ISP等基于串行接口的外围器件。

3-MSP430单片机与LM92 构成嵌入式测温系统的特点
 LM92数字温度传感器与传统的热敏电阻器、模拟温度传感器不同,他可以直接将测量的温度数据转换成13 b串行数字温度信号,供CPU读取;在硬件电路设计上就可以省去传统传感器 需要的信号放大器和A/D转换器。
 虽然长期以来热敏电阻器是最常用的元件,目前在一些工业应用领域仍然起重要的作用;在汽车的计算机控制系统中,温度传感器仍然采用热敏电阻器。热敏电阻器的电压输出与温度不具有线性关系,需通过查表或外加线性化电路,才能得到准确的温度。而且,热敏电阻器在高温区段电压变化率较小,不易分辨,造成温度测量的误差较大。这是热敏电阻器的最大缺点。其次,热敏电阻器产品在不同的批次间存在差异,电子响应性能不一致。因而,使用前都需要进行调校,在大量生产时增加了成本和时间。相比之下,集成电路温度传感器LM92输出与温度成线性关系,无论在高温或低温范围内,准确度都是一样的。但是LM92数字温度传感器测温范围是:-55~+150 ℃,特别是在高温段的测温范围,相对热敏电阻器较低;限制了他在一些工业应用领域中的应用。但在低温段可以替代热敏电阻器、模拟温度传感器。
  MSP430单片机片内最多有64 kB的ROM,可以完全容纳一个控温程序,不需要对外扩展ROM芯 片。MSP430单片机与LM92构成的嵌入式测温系统硬件电路结构紧凑、简单,可以充分减小制版面积,减小了成本;系统设计也可以简化,节省设计时间。提高了系统的精确度、准确度、可靠性,减小了系统。

DS18B20数字化温度传感器
  1.适用电压为3V~5V
  2.9~12位分辨率可调
  3.TO-92、SOIC及CSP封装可选
  4.测温范围:-55℃~125℃
  5.精度:-10℃~85℃范围内±0.5℃
  6.无需外部元件,独特的一线接口,电源和信号复合在一起
  7.每个芯片唯一编码,支持联网寻址,零功耗等待

(二)、温湿度一体化传感器
  MSTH型温湿度一体化传感器
  MSTH壁挂式温湿度传感器性能达到了国内外一流水平,是目前相对湿度环境测试的最理想产品之一。其优点在于:仪表采用递推平均数字软件滤波与硬件电路滤波相结合的滤波方法,使外界对采样的干扰尽可能降到最低;传感器采用多个湿敏元件组合,保证全量程模拟量输出线性好,并可同时显示温湿度数值,全量程精度高、稳定性能强、一致性好、使用寿命长、远距离传输不失真、响应速度快、湿度测试具备温度补偿,温湿度信号同步采样等。 它具有RS-232或485串行接口可与计算机组成多点温湿度测量系统,也可单独作为温湿度测量仪表使用。每台计算机最多可与32台仪表连接。

MSTHS型温湿度传感器
  THS数字通讯型温湿度变送器通过RS-485串行总线或4~20mA标准电流信号实现温湿度综合检测。本系列产品适用于工业、农业、医疗和科研的温湿度测控领域。

风管式温湿度变送器
H7051系列风管式温湿度变送器,湿度和温度风管式传感器合二为一,其中湿度为电容式,温度传感器阻值特性为PT100,PT1000,BALCO500。

Honeywell 温湿度变送器

罗卓尼克温湿度变送器

(三)、红外温度传感器
 在实现远距离温度监测与控制方面,红外温度传感器以其优异的性能,满足了多方面的要求。在产品加工行业中,特别是需要对温度进行远距离监测的场合,一般都是温度传感器大显身手的地方。

原理:任何物体都会发出电磁辐射,这种电磁辐射能被红外温度传感器测量。当物体温度变化时,其辐射出的电磁波的波长也会随之变化,红外传感器能将这种波长的变化转换成温度的变化,从而实现监控、测温的目的特点:抗电磁和射频干扰,实现了无接触测温、远距离测量高温等功能,红外传感器价格便宜。应用领域:用于食品、采暖空调和汽车等。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上,红外传感器检测温度是否过热,以便系统决定是否进行下一步操作,如停止加热,或是将食品从烤箱中自动取出,或是使吹风机冷却等。

(四)、热电偶温度传感器
  比如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,如果精确测量这个电位差,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。

(五)、集成温度传感器
  集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路,它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测:
                     (公式查找中,转载时原文是没有的)
          式中,K—波尔兹常数;       q—电子电荷绝对值。
  集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点,得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K,温度0℃时输出为0,温度25℃时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。

AD590及其应用
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下:
 1、流过器件的电流(mA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:
                      (公式查找中,转载时原文是没有的)
  mA/K式中: —流过器件(AD590)的电流,单位为mA;
  T—热力学温度,单位为K。

2、AD590的测温范围为-55℃~+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V~30V。电源电压可在4V~6V范围变化,电流 变化1mA,相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。

4、输出电阻为710MW。

5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55℃~+150℃范围内,非线性误差为±0.3℃。

四、温度传感器应用
汽车空调温度传感器
温度传感器用于自动检测驾驶室内外温度,分两个品种,一种为数字型,由智能型芯片控制,具有结构简单、温度显示精度高、升级方便等优点。另一种为模拟型,由热敏电阻组成。用在汽车柴油发动机火焰预热低温启动系统中的温度传感器自动检测发动机冷却液温度。

五、小结
  随着现代计算机和自动化技术的发展,作为各种信息的感知、采集、转换、传输相处理的功能器件,温度传感器的作用日显突出,已成为自动检测、自动控制系统和计量测试中不可缺少的重要技术工具,其应用已遍及工农业生产和日常生活的各个领域。无论是从设计还是从应用角度看,温度传感器技术既是一门分散型技术,又是一门知识密集型技术。它涉及的知识面宽,交叉学科多,应用条件杂,使用范围广。因此,在工程实践中,要充分发挥温度传感器的作用,必须了解温度传感器的原理、性能、使用特点和方法,以便根据不同的目的,选择相应的产品,构成所需要的检测系统或装置。

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说明:上文章是转载网上的,部分公式并没有标出,如各位网友在网上再次到此编文章。
烦请将公式记下,并将其补上给大家。资料需要大家一起来完善![em07]
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    论文,此文可能是各类文章的“大杂”论文。要补充完整,难。

    “论文”,多为直接引用(便于搜索)!!!

    下面附上可能引用的相关文章,做补充,供参考(内部有相关的公式)。
    此主题相关文件 232116.rar
    支持原创,也支持好的整理(DC)。同时将搜索时看到的个别传感器文档包含。

    附上另一篇“好的”可供搜索的论文参考。
    此主题相关文件 233942.rar
    [ 这个贴子最后由wanghanq在2006-5-25 13:38:09编辑过 ]
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    我检查了你的附件,内容比较乱。
    请你还是将文章整理成PDF再上传,以方便网友的查看。
    各位,真不好意。因为附内容较乱,所以我把他去了。
      请大家见谅,谢谢大家合作。

    [ 这个贴子最后由DC在2006-5-24 0:33:00编辑过 ]
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      [QUOTE]我检查了你的附件,内容比较乱。[/QUOTE]
      凌乱的拼凑应试论文。(多亏我未将当时搜到的文本删掉,要不白忙呼了)
      下面为我当时的附件内容图片(作一些说明,至于为何文档保持原貌,我只是尊重文章的提供处_尽管可能并不是原产地_但其版面清净、内容丰富、自觉没必要随意修改的_当然每个论坛有各自的规则_也是值得遵守的)

      [img]../images/fileType/jpg.gif[/img]此主题相关图片
      [imga]../../upload/2006/05/24/070833.jpg[/imga]

      按顺序说明:
      1 微控帖子(论文?);
      2 “论文”引用的前段部分“原文”,原文内容多、全,值得参考;
      3 “论文”引用的中段部分“原文”,(也就是没有公式的部分),这个网站右键功能限制;
      4 另一篇“论文”引用的部分内容“原文”;
      5 另一篇类似的“论文”,涉及的内容也较多,不过又是拼凑,关心的可自查找;
      6 7 为搜索时无意看到的可值得一看的相管内容_故附上;

      另:*.mht 格式包含有网页的全部内容(如:图片、完整的链接地址等),且可再编辑。

      [ 这个贴子最后由wanghanq在2006-5-25 13:43:09编辑过 ]
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        温度传感器AD590
        (刚编辑才知,需去掉“多余”语句)
        看来上传资料是有点“乱”,如提供“集成温度传感器AD590及其应用.mht”的网站中就含有以下的作怪语句:“<BODY bgColor=#ffffff leftMargin=0 topMargin=0>”。当含有此语句后,页面内容就不能轻易的右键进行复制等编辑操作了,碰上此类网页,打开源文件去掉此语句就可了。极力不赞成此类网站的做法!
        附件为网上搜到的此文章的doc文档,可作公式参考。
        [img]../images/fileType/rar.gif[/img]此主题相关文件 [url=../../upload/2006/05/25/132829.rar]132829.rar[/url]
        [ 这个贴子最后由wanghanq在2006-5-25 13:34:05编辑过 ]
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            6_物理教材中涉及的传感器件知识简介.doc
            7_传感器原理与应用基础.pdf
            上传。

            [img]../images/fileType/rar.gif[/img]此主题相关文件 [url=../../upload/2006/05/31/004109.rar]004109.rar[/url]
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