智能溫度傳感器原理及應(yīng)用教材

1、智能溫度傳感器原理及應(yīng)用智能溫度傳感器原理及應(yīng)用 電氣信息學院電氣信息學院主要介紹幾種溫度傳感器主要介紹幾種溫度傳感器 1、熱電阻式溫度傳感器熱電阻式溫度傳感器 2、熱電偶式溫度傳感器、熱電偶式溫度傳感器 3、兩種溫度傳感器控制系統(tǒng)的組成、兩種溫度傳感器控制系統(tǒng)的組成 4、數(shù)學化溫度傳感器、數(shù)學化溫度傳感器DS18B20（重點介紹）（重點介紹） 5、DS18B20溫度傳感器的應(yīng)用（基于單片溫度傳感器的應(yīng)用（基于單片機實現(xiàn)）機實現(xiàn)） 6,、總結(jié)、總結(jié)電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器 熱電阻熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。器

2、。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的，它不其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀基準儀。熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出的阻值變化，就可以測量出溫度溫度。常見的電阻式溫度傳感器常見的電阻式溫度傳感器電阻式溫度傳感器工作原理電阻式溫度傳感器工作原理金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用

3、以下的金屬熱電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示，近似關(guān)系式表示，即即Rt=Rt01+(t-t0)式式中，中，Rt為溫度為溫度t時的阻值時的阻值;Rt0為溫度為溫度t0(通常通常t0=0)時對應(yīng)電阻值時對應(yīng)電阻值;為溫度系數(shù)為溫度系數(shù)。以以Pt100為為例如果測得電阻值為例如果測得電阻值為110，求實際溫度值為多少？，求實際溫度值為多少？（a=1/2.5） 鉑鉑電阻測溫范圍理論上是：電阻測溫范圍理論上是：-200+500，但，但是一般超過是一般超過300就不考慮用鉑電阻了；而銅電就不考慮用鉑電阻了；而銅電阻的測溫范圍是：阻的測溫范圍是：-50+150熱電偶式溫度傳感器熱電偶式溫度傳

4、感器 在在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是需要測量和控制的重要參數(shù)之一。在溫度測量中，熱電偶制的重要參數(shù)之一。在溫度測量中，熱電偶的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方的應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優(yōu)點號便于遠傳等許多優(yōu)點。測量范圍大（測量范圍大（2001300，特殊情況下，特殊情況下2702800）一般工業(yè)上認為超過）一般工業(yè)上認為超過600 算高溫。算高溫。常見的熱電偶溫度傳感器常見的熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感工作原理熱電偶溫度傳感工作原理當有兩種不同的導體或半導

5、體當有兩種不同的導體或半導體A和和B組成一個組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的溫度不同，一端溫度為溫度不同，一端溫度為T，稱為工作端或熱端，稱為工作端或熱端，另一端溫度為另一端溫度為T0 ，稱為自由端（也稱參考端），稱為自由端（也稱參考端）或冷端，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，該電動或冷端，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，該電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)”，兩種，兩種導體組成的回路稱為導體組成的回路稱為“熱電偶熱電偶”，這兩種導，這兩種導體稱為體稱為“

6、熱電極熱電極”，產(chǎn)生的電動勢則稱為，產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱電動勢熱電動勢”。熱電偶工作原理演示熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。 熱電極熱電極A A右端稱為：右端稱為：自由端自由端（參考（參考端、冷端、冷端）端） 左端稱為：左端稱為：測量端測量端（工作（工作端、熱端、熱端）端） 熱電極熱電極B B熱電勢熱電勢AB熱電偶使用注意事項熱電偶使用注意事項熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導體的接觸電動勢，另一部分是單一導體的溫差電體的接觸電動勢，另一部分是單一導體的溫

7、差電動勢動勢。熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，熱電偶測量溫度時要求其冷端（測量端為熱端，通過引線與通過引線與測量測量電路電路連接連接的端稱為冷端）的溫度的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的保持不變，其熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，比例關(guān)系。若測量時，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施將嚴重影響測量的準確性。在冷端采取一定措施補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的補償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補償正常。冷端補償正常。冷端補償方法1. 補償導線法 利用補償導線代替熱電

8、極，引導溫度比較穩(wěn)定的冷端測試。2. 0恒溫法 將熱電偶的冷端放入冰水混合容器內(nèi)，以穩(wěn)定冷端溫度。3. 冷端修正法 (a) 熱電勢修正法 (b)溫度修正法4. 冷端自動補償法 電橋補償法冷端延長導線法和恒溫補償法冷端電橋補償法熱電阻熱電偶測溫功能的實現(xiàn) 前面分別講述了，熱電阻、熱電偶的測溫檢測原理。作為檢測元件，檢測到溫度信號值，人是不能直接識別的。還需要溫度變送器（將溫度信號轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號或1-5V電壓信號，以便于遠傳控制）數(shù)字顯示模塊（便于現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)）。溫度變送器及數(shù)字顯示溫度控制系統(tǒng)的組成DS18B20溫度傳感器 DS18B20是美國DSLLAS半導體公司推出的第一篇支持“

9、一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串型數(shù)字信號供處理器處理。DS18B20引腳介紹DS18B20主要特點適應(yīng)電壓范圍寬，電壓范圍在3.05.5V。獨特的單線接口方式，它與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感器元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。測溫范圍-55+125，在-10+85時精度為0.5?？删幊谭直媛蕿?12位，對應(yīng)的可分辨率溫度分別為0.5，0.25

10、，0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。在9位分辨率時，最多在93.78ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；12位分辨率時，最多在750ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，顯示速度快。測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。負壓特性。電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20結(jié)構(gòu)介紹DS18B20測溫原理圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計

11、數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。DS18B20 四四個個主要的數(shù)據(jù)部件主要的數(shù)據(jù)部件 1、光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。DS18B20中的溫度傳感器2、DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S

12、為符號位。3、DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。4、配置寄存器DS18B20時序控制要求根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，主機控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對ds18b20進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令，最后發(fā)送ram指令，這樣才能對ds18b20進行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，ds18b20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號表示復(fù)位成功。復(fù)位時序讀操作時序?qū)懖僮鲿r序單片機實驗效果圖（杯中熱水）室溫檢