[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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
[關(guān)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(shù)量多，居各種傳感 器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個(gè)階段；
(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件)，主 要是能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)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(shù)字式、集成化向智能化及網(wǎng)絡(luò)化 的方向發(fā)展。
2 溫度傳感器的分類
溫度傳感器按傳感器與被測介質(zhì)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(dǎo)及對流原理達(dá)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，并可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運(yùn)動(dòng)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(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。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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)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(huán)境的影響比較大。
3 溫度傳感器的發(fā)展
3.1傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器——熱電偶傳感器 熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應(yīng)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(zhì)的 影響，具有較高的精確度;測量范圍廣，可從-50~1600丈 進(jìn)行連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金鐵一鎮(zhèn)鉻，最低可 測到-269^，鎢一錸最高可達(dá)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(dǎo)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(jì)80年代問世的，它將溫度傳感 器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測量及模擬信號(hào)輸出等功能。
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(yīng)速度快、傳輸 距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測溫，不需 要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，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(shù)字溫度傳感器）是在20 世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技 術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)（ATE)的結(jié)晶。目前，國際上已開 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(nèi)部包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ) 器C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(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM)和 只讀存儲(chǔ)器（ROM)。
智能溫度傳感器能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控 制量，適配各種微控制器（MCU)，并且可通過軟件來 實(shí)現(xiàn)測試功能，其智能化取決于軟件的開發(fā)水平。
3.3智能溫度傳感器發(fā)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(zhuǎn)換器，其 測溫精度較低，分辨力只能達(dá)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(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá) 0.5~0.06251。由美國DALLAS半導(dǎo)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(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)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(zhuǎn)換速率，也有的 芯片采用髙速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)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(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)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(qiáng)。例如，DS1629 型單線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(chǔ)功能，利用 芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)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(fā)展，這為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(tǒng)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(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增 加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作非常簡便。對某些智能 溫度傳感器而言，主機(jī)（外部微處理器或單片機(jī)）還 可通過相應(yīng)的寄存器來設(shè)定其A7D轉(zhuǎn)換速率（典型產(chǎn) 品為MAX6654)，分辨力及最大轉(zhuǎn)換時(shí)間（典型產(chǎn)品為 DS1624)。
3.3.3總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化
智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)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(jī)可通 過專用總線接口與主機(jī)進(jìn)行通信。
3.3.4可靠性及安全性設(shè)計(jì)
A/D轉(zhuǎn)換器大多采用積分式或逐次比較式轉(zhuǎn)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。§1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(zhuǎn)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(shù)字反饋方式，因此比較器的失調(diào)電壓及零點(diǎn)漂 移都不會(huì)影響溫度的轉(zhuǎn)換精度。這種智能溫度傳感器 兼有抑制串模干擾能力強(qiáng)、分辨力高、線性度好、成 本低等優(yōu)點(diǎn)。
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(hù)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(lián)而成的電路模型，當(dāng)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(hào)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(fā)的智能溫度傳感器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（亦稱遠(yuǎn)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(yuǎn)程傳感器引線阻抗所引 起的測溫誤差，即使引線阻抗達(dá)到100Q,也不會(huì)影響 測量精度。遠(yuǎn)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(wǎng)絡(luò)溫度傳感器行步距和設(shè)定步距。
A:托鋼位置；B:緩慢上升位；C:上升位置；D:緩慢前進(jìn)位置；
E:前進(jìn)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(hù)中常見故障
(1)調(diào)試階段故障
新位置傳感器的故障問題比較復(fù)雜，其特征是設(shè) 計(jì)、制造、安裝以及管理等質(zhì)量問題交織一起。常見 的故障有安裝松動(dòng)、位置難以調(diào)整穩(wěn)定，也有屬于當(dāng) 初設(shè)計(jì)欠妥，部件選擇不當(dāng)，動(dòng)作不平穩(wěn)，定位精度 達(dá)不到要求。對待這類故障應(yīng)該耐心細(xì)致，慎重處理， 逐一排除。
(2)運(yùn)行初期和中期故障
調(diào)試后進(jìn)人正常生產(chǎn)階段的故障特征是：插頭松 動(dòng)或接觸不良，造成信號(hào)時(shí)有時(shí)無，管壁內(nèi)進(jìn)人雜質(zhì)、 臟物，導(dǎo)致某些元件工作不穩(wěn)定，線性關(guān)系被破壞，表 現(xiàn)為位置忽大忽小，極不穩(wěn)定。一般到運(yùn)行中期，系 統(tǒng)元件/組件處于最佳運(yùn)行工作狀態(tài)，故障率較低。
(3)運(yùn)行后期故障
位置傳感器運(yùn)行一段時(shí)間后，各類元件/組件因?yàn)?工作頻率和負(fù)載條件的差異，易損件先后磨損超差，這 個(gè)階段的故障特征是位置反饋接觸不良、定位精度差、 穩(wěn)定性下降、效率顯著降低、故障率逐漸增加。這時(shí) 應(yīng)注意全面檢查，更換有關(guān)失效部件，應(yīng)科學(xué)、嚴(yán)格 的下決心投資，子以全m修復(fù)，否則可能給運(yùn)行人員 帶來很多的麻煩，甚至嚴(yán)重影響位置的正常調(diào)節(jié)和控制。
改善位置傳感器的工作環(huán)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(huán)境條件、人員知識(shí)等因素有著直接的關(guān)系。在維護(hù) 與管理上應(yīng)改善其工作環(huán)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(jì)算機(jī)平臺(tái)并通 過軟件開發(fā)而成的。利用軟件可完成傳感器的標(biāo)定及 校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能指標(biāo)。最近，B&K公司已開發(fā) 出一種基于軟件設(shè)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(hào) 并且附帶一張軟盤，軟盤上存儲(chǔ)著對該傳感器進(jìn)行標(biāo) 定的有關(guān)數(shù)據(jù)。使用時(shí)，傳感器通過數(shù)據(jù)采集器接至 計(jì)算機(jī)，首先從計(jì)算機(jī)輸入該傳感器的產(chǎn)品序列號(hào)，再 從軟盤上讀出有關(guān)數(shù)據(jù)，然后自動(dòng)完成對傳感器的檢 查、傳感器參數(shù)的讀取、傳感器設(shè)置和記錄工作。
4 總結(jié)
隨著工業(yè)生產(chǎn)效率的不斷提高，自動(dòng)化水平與范圍的不斷擴(kuò)大，對溫度傳感器的要求也越來越高，主 要有以下幾個(gè)方面：
(1)擴(kuò)展測溫范圍：隨著工業(yè)的發(fā)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(shù)的發(fā)展，信號(hào)處理儀表的精度有了很大的提高。
(3)擴(kuò)大測溫對象：隨著工業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钜蟮奶岣撸F(xiàn)在已由點(diǎn)測量發(fā)展到線、面測量。
(4)發(fā)展新產(chǎn)品，滿足特殊需要：在溫度測量中， 除了進(jìn)一步擴(kuò)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(jù) 被測對象的環(huán)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(xù)測溫，火焰溫度測量等。
(5)顯示數(shù)字化：溫度儀表不但具有讀數(shù)直觀、無 誤差、分辨率高、測量誤差小的特點(diǎn)，而且給溫度儀表的智能化帶來很大方便。
(6)檢定自動(dòng)化：由于溫度校驗(yàn)裝置將直接影響 溫度儀表質(zhì)量的提高，我國已研制出用微型機(jī)控制的熱電偶校驗(yàn)裝置。
