常用温度传感器比较（温度传感器.介绍）

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。不少材料、元件的特性都随温度的 变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电 阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不 断涌现。 由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器 只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传感器的种类与测温范围如下表所示。

温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质 保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一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需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器， 以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态 物质的温度（如慢速行使的火车的轴承温度，旋转着的水泥窑的温度）及热容量小的物体（如集成电路中 的温度分布）。 温度传感器的种类较多，我们介绍几种主要的温度传感器及应用电路。

PN 结温度传感器

工作原理

晶体二极管或三极管的 PN 结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的 PN 结的结电压在温度每升高 1℃ 时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管 1N4148）或采用硅 三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做 PN 结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小， 其热时间常数为 0.2—2 秒，灵敏度高。测温范围为-50— 150℃。典型的温度曲线如图 1 所示。同型号的 二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。

应用电路(一)

图（2）是采用 PN 结温度传感器的数字式温度计，测温范围-50—150℃，分辨率为 0.1℃,在 0—100℃范 围内精度可达±1℃。 图中的 R1，R2，D，W1 组成测温电桥，其输出信号接差动放大器 A1，经放大后的信号输入 0—±2.000V 数字式电压表（DVM）显示。放大后的灵敏度 10mV/℃。A2 接成电压跟随器。与 W2 配合可调节放大器 A1 的增益。 通过 PN 结温度传感器的工作电流不能过大，以免二极管自身的温升影响测量精度。一般工作电流为 100—300mA。采用恒流源作为传感器的工作电流较为复杂，一般采用恒压源供电，但必须有较好的稳压精 度。 精确的电路调整非常重要，可以采用广口瓶装入碎冰渣（带水）作为 0℃的标准，采用恒温水槽或油槽 及标准温度计作为 100℃或其它温度标准。在没有恒水槽时，可用沸水作为 100℃的标准（由于各地的气压不同，其沸点不一定是 100℃，可用 0—100℃的水银温度计来校准）。

将 PN 结传感器插入碎冰渣广口瓶中，等温度平衡，调整 W1，使 DVM 显示为 0V，将 PN 结传感器插入 沸水中（设沸水为 100℃），调整 W2，使 DVM 实现为 100.0V，若沸水温度不是 100℃时，可按照水银温 度计上的读数调整 W2，使 DVM 显示值与水银温度计的数值相等。再将传感器插入 0℃环境中，等平衡后 看显示是否仍为 0V，必要时再调整 W1 使之为 0V，然后再插入沸水，看是否与水银温度计计数相等，经 过几次反复调整即可。

图中的 DVM 是通用 3 位半数字电压表模块 MC14433，可以装入仪表及控制系统中作显示器。MC14433 的应用电路可参考本网站的常用 A/D 转换器中的技术手册。它的主要技术指标如下：

基本量程：±1.999V(2V)

线性误差：该读数的 0.05%±1 字

电源：5—7.5V单电源

平均功耗：300mW

过量程时：数字闪烁

DU 脚接地时：数据可保持

应用电路(二)

下面我们来看看利用不带 A/D 转换器的单片机实现测温的应用电路。

这里我们选用内带一个模拟比较放大器的AT89C2051单片机来实现这一功能，AT89C2051是一片ATMEL 公司推出的兼容 C51 的 8 位单片机，内带 2k 的 Flash 程序存储器，128 字节的内部 RAM,具有 15 个 I/O 口， 6 个中断源，只有 20 个引脚，价格也相当便宜，可谓价廉物美的单片机。详细的资料可参见本网站的“ATMEL 单片机”中的 AT89C2051。其中内含一个模拟比较放大器，P1.0 是比较放大器的同相输入端，P1.1 是比较 放大器的反相输入端，这两个输入输出口内部并没有上拉电阻，比较放大器的输出端连至 P3.6，也没有引 出，但可用指令访问该引脚。

在该单片机外接 RC 元件即可构成简单的，低精度的 A/D 转换电路，电路如图 3 所示，P1.0（同相端） 接上 RC 充放电阻和电容，P1.1（反相端）作为外部被测温度电压的输入端，作为 PN 结温度传感器，本身 输出电压较低，可参照上一节我们给出的放大电路，温度传感电压经放大后再引至单片机的输入端。P1.2充放电控制端通过一个数 kΩ 的电阻接正电源 Vcc，因为 R1 远小于 R2，可以认为在 P1.2 输出逻辑高电平 时，电压是相当接近 Vcc 高电平的。

电路工作过程如下：程序开始时，先置 P1.2 为逻辑低电平，并延时一小段时间，使 P1.2 为低电平，电容 C 经 R2 放完电，此时，P1.0=0V，而 P1.1>0V,比较放大器输出“0”电平，接着置 P1.2 为高电平，同时定时 器开始计时，当电容 C 上的电压 Vc 充到 Vc=Vx 时，P1.0 与 P1.1 的电位相等，比较放大器的同相端和反 相端电平相等时，输出端 P3.6 输出高电平，当扫描查询到 P3.6 为高电平时即停止计时，那么只要测得开始 对电容充电到 P3.6 输出高电平的时间，通过换算即可得到外部被测温度电压的值。

这里需要指出，从图 4 中我们可以看到，电容器的充电过程并非线性，其充电过程可以描述为：

这个非线性特性，我们在单片机编程时，可以通过补偿和校正的方法加以解决，最常用的方法也是最简 单的方法是通过查表的办法进行修正。这样便可满足一种低精度简易的温度测量要求。