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温度传感器的发展和前景

来源:北京信兆科技有限公司 浏览次数: 日期:2017年2月6日 09:05
一、温度传感器的发展历史
 
  温度和压力一样,也是过程控制中最重要的测量变量之一。例如在冷却回路 中,温度监测不仅用来确保产品质量,还用来保证系统安全。过程工业往往利用热 能进行控制,所以,根据应用需要选择理想的温度传感器,可实现既定测量目的并 确保最佳测量效果。当然,对过程工艺的熟悉和预见可能出现的不确定扰动也是很 重要的。温度的计量和监测在工农业生产和国民经济各部门具有重要意义和十分广 泛的应用。
 
  在温度的计量和监测中,要将温度信号转变为电信号则离不开温度传感器。所 谓温度传感器,就是能够通过检测那些物理量而可知其温度的器件。在测量过程 中,由于温度的测量范围很宽,从极低温到极高温,每一种温度传感器又具有各自 的特点、适用范围和使用条件。因此,应根据实际使用时的不同要求,适当地选择 温度传感器。同时,根据目前材料学、工艺学及其他领域科学技术的发展,研制新型温度传感器以及开发与其配套的二次仪表及显示装置便显得尤为重要。
 
  各种与温度有关的物理量(如热膨胀、电阻、热电动势、磁性、电容、光学特 征、弹性、热噪声等)都可作为温度测量器件的理论基础。温度传感器大致可分为 非接触式和接触式两大类。接触式的温度传感器是通过传感器本身与被测物体的直 接接触来测量物体的温度,常见的有热电偶、热敏电阻、铂热电阻、双金属片、光 纤、半导体、磁性等温度传感器。非接触式的温度传感器则是通过监测物体热辐射 发出的红外线或光来测量物体的温度,常见的有量子转换型和热红外线型。尽管温 度传感器的种类很多,但有各自的优缺点以及所适合的应用场合。
 
  制作温度传感器的材料有多种选择,如金属导体、半导体、电介质、有机高分 子材料等,现在运用最广泛的是传统金属电阻温度传感器和半导体温度传感器。传 统的金属电阻温度传感器缺点很明显:制作和标定非常烦琐、体积大、价格贵、应 用场合有限等。虽然金属热敏电阻阻值与温度之间在更大的温度范围内具有更为优 良的线性关系。只是由于沿着传统思路制作的金属热敏电阻温度传感器在体积大 小、制作复杂性等方面都存在不可克服的问题。半导体热敏电阻温度传感器虽然具 有微小化和集成化等优点,但需要许多线性化修正工作且都具有工作范围的局限 性。而CMOS技术则正好解决了传统热敏电阻温度传感器在体积、制作等方面的 诸多问题,并且继承了半导体热敏电阻温度传感器微小化和集成化的所有优势,并 获得了巨大的成功。
 
  最早的温度传感器是伽利略制成的气体膨胀式温度计。世界上第一个把温度变 成电信号的传感器,是由德国物理学家赛贝1821年发明的热电偶传感器。50年 后,德国人西门子又发明了铂电阻温度计。经过后人广泛深人的研究,伴随着材料 和加工技术的发展,温度传感器逐渐发展成目前应用最广泛的一种传感器。本世纪 相继开发了半导体热敏电阻传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。此外, 根据波与物质的相互作用规律,还相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波 传感器等。
 
  随着各类电子产品的便携化,可用于片上测温的集成温度传感器的发展便越趋 灼热化。传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农 业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大 致经历了以下三个阶段。
 
  1.传统的分立式温度传感器(含敏感元件)
 
  传统的热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器,均属于分立式温度 传感器,传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件。此类传感器通常要配温 度变送器,以获得标准的模拟量(电压或电流)输出信号。使用时还需配上二次 仪表,才能完成温度测量及控制功能。其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精 度较低、分辨力不高,需进行温度校准(例如非线性校准、温度补偿、传感器标定 等),另外它们的体积较大,使用也不够方便。因此,分立式温度传感器将逐渐被淘汰。
 
  2.模拟集成温度传感器/控制器
 
  集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,因此也称硅传感器或单片集 成传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的.它是将温度传感器 集成在一个芯片上,可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用lC,它属于最 简单的一种集成温度传感器。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测 量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗. 适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准。外围电路简单,它是目前在国 内外应用最为普遍的一种集成传感器,典型产品有AD590、AD592、TMP17、 IJM135等。
 
  模拟集成温度控制器主要包括温控开关、可编程温度控制器.典型产品有 LM56、AD22105和MAX6509。某些增强型集成温度控制器(例如TC652/653) 中还包含了A/D转换器以及固化好的程序,这与智能温度传感器有某些相似之处, 但它自成系统,工作时并不受微处理器的控制,这是二者的主要区别。
 
  3.智能温度传感器
 
  智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。 智能温度传感器是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶,它也是集成 温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。国际上许多著名的集成电 路生产厂家已经开发出上百种智能温度传感器产品。智能温度传感器具有以下三 个显著特点:①能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器 (MCU):②能以最简方式构成高性价比、多功能的智能化温度测控系统;③它 是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开 发水平。
 
  智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、存储器(或寄存器) 和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器 (RAM)和只读存储器(ROM)。

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