数字型温度传感器

智能温度传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式，操作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机(外部微处理器或单片机)还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率(典型产品为MAX6654)，分辨力及最大转换时间(典型产品为DS1624)。 　　能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS1620、DS1623、TCN75、LM76、MAX6625。智能温度控制器适配各种微控制器，构成智能化温控系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪。 2.3总线技术的标准化与规范化 　　目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-Wire)总线、I2C总线、SMBus总线和spI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。 2.4可靠性及安全性设计 　　传统的A/D转换器大多采用积分式或逐次比较式转换技术，其噪声容限低，抑制混叠噪声及量化噪声的能力比较差。新型智能温度传感器(例如TMP03/04、LM74、LM83)普遍采用了高性能的Σ－Δ式A／Ｄ转换器，它能以很高的采样速率和很低的采样分辨力将模拟信号转换成数字信号，再利用过采样、噪声整形和数字滤波技术，来提高有效分辨力。Σ－Δ式A／D转换器不仅能滤除量化噪声，而且对外围元件的精度要求低；由于采用了数字反馈方式，因此比较器的失调电压及零点漂移都不会影响温度的转换精度。这种智能温度传感器兼有抑制串模干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。 　　为了避免在温控系统受到噪声干扰时产生误动作，在AD7416/7417/7817、LM75／76、MAX6625／6626等智能温度传感器的内部，都设置了一个可编程的“故障排队(fAultqueue)”计数器，专用于设定允许被测温度值超过上、下限的次数。仅当被测温度连续超过上限或低于下限的次数达到或超过所设定的次数n(n=1~4)时，才能触发中断端。若故障次数不满足上述条件或故障不是连续发生的，故障计数器就复位而不会触发中断端。这意味着假定n=3时，那么偶然受到一次或两次噪声干扰，都不会影响温控系统的正常工作。 　　LM76型智能温度传感器增加了温度窗口比较器，非常适合设计一个符合ACPI(AdvAnced ConfigurAtion And Power InterfAce，即“先进配置与电源接口”)规范的温控系统。这种系统具有完善的过热保护功能，可用来监控笔记本电脑和服务器中CPU及主电路的温度。微处理器最高可承受的工作温度规定为tH，台式计算机一般为75°C，高档笔记本电脑的专用CPU可达100°C。一旦CPU或主电路的温度超出所设定的上、下限时， INT端立即使主机产生中断，再通过电源控制器发出信号，迅速将主电源关断起到保护作用。此外，当温度超过CPU的极限温度时，严重超温报警输出端(T_CRIT_A)也能直接关断主电源，并且该端还可通过独立的硬件关断电路来切断主电源，以防主电源控制失灵。上述三重安全性保护措施已成为国际上设计温控系统的新观念。 　　为防止因人体静电放电(ESD)而损坏芯片。一些智能温度传感器还增加了ESD保护电路，一般可承受1000~4000V的静电放电电压。通常是将人体等效于由100PF电容和1.2K欧姆电阻串联而成的电路模型，当人体放电时，TCN75型智能温度传感器的串行接口端、中断／比较器信号输出端和地址输入端均可承受1000V的静电放电电压。LM83型智能温度传感器则可承受4000V的静电放电电压。 　　最新开发的智能温度传感器(例如MAX6654、LM83)还增加了传感器故障检测功能，能自动检测外部晶体管温度传感器(亦称远程传感器)的开路或短路故障。MAX6654还具有选择“寄生阻抗抵消”(PArAsitic ResistAnce CAncellAtion，英文缩写为prc)模式，能抵消远程传感器引线阻抗所引起的测温误差，即使引线阻抗达到100欧姆，也不会影响测量精度。远程传感器引线可采用普通双绞线或者带屏蔽层的双绞线。 2.5虚拟温度传感器和网络温度传感器 (1)虚拟传感器 　　虚拟传感器是基于传感器硬件和计算机平台、并通过软件开发而成的。利用软件可完成传感器的标定及校准，以实现最佳性能指标。最近，美国Ｂ＆Ｋ公司已开发出一种基于软件设置的TEDS型虚拟传感器，其主要特点是每只传感器都有唯一的产品序列号并且附带一张软盘，软盘上存储着对该传感器进行标定的有关数据。使用时，传感器通过数据采集器接至计算机，首先从计算机输入该传感器的产品序列号，再从软盘上读出有关数据，然后自动完成对传感器的检查、传感器参数的读取、传感器设置和记录工作。 (2)网络温度传感器 　　网络温度传感器是包含数字传感器、网络接口和处理单元的新一代智能传感器。数字传感器首先将被测温度转换成数字量，再送给微控制器作数据处理。最后将测量结果传输给网络，以便实现各传感器之间、传感器与执行器之间、传感器与系统之间的数据交换及资源共享，在更换传感器时无须进行标定和校准，可做到“即插即用(Plug&PlAy)”，这样就极大地方便了用户。 2.6单片测温系统 　　单片系统(

关于集成化与数字化传感器的应用集成传感器概述 集成传感器(integrated sensor)是在半导体集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术等基础上发展起来的。集成传感器的种类很多，可大致归为以下两种类型‘传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。 1.传感器本身的集成化 传感器本身的集成化可分为两种情况: 一种是具有同样功能的传感器的集成化。如电荷藕合器件(CCD)就是在一块半导体芯片上集成了许多光电传感器的集成化器件，又如将多个相同的光敏二极管“集成”在同一芯片上成为摄像仪中的光敏器件。这种集成化的特点是把对一个点的测量扩展成对一条线、一个平面或对空间的测量。 另一种是不同功能传感器的集成化，使一个传感器具有多种功能。如把温度变送器和湿度传感器集成在一起，可同时枪测温度和湿度。2.传感器与后续电路的集成化 此类集成化也可分为两种情况· ·一种是传感器和输出电路的集成化。如光电传感器和其放大电路集成在一起，可减少干扰.提高灵敏度;在硅片上制造薄膜传感器及放大器而构成的加速度传感器等。 另一种是将传感器和后续数据处理电路集成在一起.如微机化的传感器，既具备传感器的功能，又具有记忆及运算的功能、信息处理及非线性滤波的功能、多重翰人系统的构成一与同一数据的周期重复处理功能，以及系统的调节与控制的功能等。因此，这种传感器是一种多功能化的传感器. 总的来说，集成传感器具有如下特点: (”成本低.由于集成电路工艺已十分完善，利用这种技术可降低产品的成本。 (2)小型化.以硅技术为基础，将多个相同或不同的器件集成在一起，使许多引线变为芯片的内部连线，可使体积大大缩小. (3)性能改善。集成传感器可以把温度补偿、信号放大及处理电路做在同一块芯片上，这样就使环境沮度变化和电源波动等外界因素对输出信号的影响减至最小。 (4》可靠性提高.由于集成化的结果，使外引线变为内引线，器件的焊点大大减少，可靠性得以提高。 (5)接11灵活性增加。可在传感器芯片上设计阻抗变换电路、电平变换电路等，以适应不同的要求，便于与外电路连接。来源：中国仪器仪表网

一、传感器的定义　　国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。　　二、传感器的分类　　目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：　　１、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器　　２、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。　　３、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“１”和"０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。　　关于传感器的分类：　　1.按被测物理量分：如：力，压力，位移，温度，角度传感器等；　　2.按照传感器的工作原理分：如：应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等；　　3.按照传感器转换能量的方式分：　　（1）能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等；　　（2）能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等；　　4.按照传感器工作机理分：　　（1）结构型：如：电感式、电容式传感器等；　　（2）物性型：如：压电式、光电式、各种半导体式传感器等；　　5.按照传感器输出信号的形式分：　　（1）模拟式：传感器输出为模拟电压量；　　（2）数字式：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。　　三、传感器的静态特性　　传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。　　四、传感器的动态特性　　所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。　　五、传感器的线性度　　通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。　　拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。　　六、传感器的灵敏度　　灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。　　它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。　　灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。　　当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。　　提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。　　七、传感器的分辨力　　分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。　　通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。　　八、电阻式传感器　　电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。　　九、电阻应变式传感器　　传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。　　十、压阻式传感器　　压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。　　用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。　　十一、热电阻传感器　　热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。　　十二、传感器的迟滞特性　　迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。　　迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。 　　压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过 外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是 这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。