数字温度传感器

一、传感器原理

    温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。

代表元件

数字温度传感器DS18B20

    DS1820的内部计数器对一个受温度影响的震荡器的脉冲记数，低温时震荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时震荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55摄氏度时的值，如果计数器到达0之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55摄氏度。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对震荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。温度表示值为9bit，高位为符号位。无论是单点还是多点温度检测，在系统安装及工作之前，应将主机逐个与DS1820挂接，读出该序列号。 基本的通信过程如下：

● 主机通过拉低单总线至少480us产生Tx复位脉冲。

● 然后由主机释放总线，并进入Rx接受模式。主机释放总线时，会产生一由低电平跳变为高电平的上升沿。

● 单总线器件检测到该上升沿后，延时15-60us。

● 单总线器件通过拉低总线60 – 240us来产生应答脉冲。

● 主机接收到从机的以应答脉冲后，说明有单总线器件在线，然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。

二、代表厂家及产品特点

    DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

DS18B20特点

1．单线结构，只需一根信号线和CPU相连。
2. 不需要外部元件，直接输出串行数据。
3. 可不需要外部电源，直接通过信号线供电，电源电压范围为3.3V～5V。
4．测温精度高，测温范围为：一55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±O.5℃。
5．测温分辨率高，当选用12位转换位数时，温度分辨率可达0．0625℃。
6．数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制：9位精度的转换时间为93．75 ms：10位精度的转换时间187.5ms：12位精度的转换时间750ms。
7.具有非易失性上、下限报警设定的功能，用户可方便地通过编程修改上、下限的数值。
8．可通过报警搜索命令识别哪片DS18820采集的温度超越上、下限。

三、技术指标

温度与数据的关系图

极限参数

任何引脚相对于地的电压 -0.5v~+7.0v

运用温度 -55℃~+125℃

储存温度 -55℃~+125℃

焊接温度 260℃10秒

推荐的直流运用条件

直流参数

四、特性曲线

典型错误曲线

DS18B20数字温度器读数与恒温源误差

五、同类比较

DS1820

DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20、 DS1822 “一线总线”数字化温度传感器 同DS1820一样，DS18B20也 支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为± 2°C 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。 DS18B20、 DS1822 的特性 DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

SMT160-30

    SMT160-30具有3个引脚，两个用于提供5V的供电电压，另外一个用作输出。输出信号是方波，方波的占空比与所测的温度呈高度线性关系，它具有以下特点：  

◇出厂前校正

◇分辨率高 优于0.005℃◇测温范围广 -45℃~130℃

◇线性度好 最大线性偏差为0.2℃

◇低功耗 最大功耗小于1.5mW

◇对供电电压的变化不敏感 其比例为0.1℃/V

◇长期稳定性很强，长期使用偏置最大为0.05℃

◇精度高 采用TO18封装最大绝对精度为0.7℃ ◇单线式输出，输出信号数字化，可与微处理器直连通讯

◇响应速度快采用TO18封装测ALU模块响应时间达到0.8秒

◇输出信号可传20m，可用电缆传递输出信号。这方便了远距离测温

◇可提供许多不同的封装，如TO18、TO92、TO220、SOIC、HEMP等，也可以根据客户要求提供相应的封装或裸机服务。

AD590

    AD590是美国ANALO G DEV ICES公司的单片集成两端感温电流源。   

    需要模拟转数字电路，成本高，精确度低，测温点数量少 电路繁多，对线阻有要求，总的来说DS18B20的优点都是在弥补AD590的缺点的。

但是：ds18B20的唯一缺点是：温度范围只能在-55度到+125度之间。

六、应用场景

单片机与DS18B20测温的基本电路

七、结论

    DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

1、较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

2、在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

3、连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

4、在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！ DS1822与 DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。 

                                          BG0907

091001140717

                                         陆昕杰

第二篇：温度传感器调研报告

关于用于发动机试验的温度传感器的

调研报告

调研内容：发动机各部位温度传感器的工作原理、种类、特性参数、

使用方法以及相应配套的显示仪表的有关信息。

调研时间：20**年3月23日至4月3日。

调研方式：网上检索，市场调研，查阅书籍文献等。

调研人员：吉林大学汽车工程学院杨益。

简要目录：

（1）发动机温度传感器种类简要介绍。

（2）温度传感器的工作原理。

（3）发动机各部位与温度传感器主要性能参数、传感器的选择及安装。

（4）常用发动机试验温度传感器的市场价格。

（5）发动机试验温度传感器相对应的显示仪表。

（6）调研小结。

（1）温度传感器种类简要介绍

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。热电阻主要有分度号为Pt100，Pt10，Cu50，Cu100的热电阻等。热电偶按国家标准主要分为分度号为S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶。（国际上还有分度号N，其中B,E,R为铂系热电偶。）

热电阻温度传感器主要有：铂电阻温度传感器，半导体热敏电阻温度传感器（NTC型），PN结温度传感器等。

热电偶温度传感器主要有：分度号为S、B、E、K、R、J、T、N等的各种热电偶。

（二）温度传感器工作原理

热电阻温度传感器工作原理：

热电阻大都由纯金属材料制成，热电阻的测温原理是基于导体或半导体的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。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻和半导体热敏电阻各自具有阻值随温度变化的函数 。

金属热电阻：（以Pt100热电阻为例）

R(t)=R(0)[1+At+Bt^2+C(t－100℃)t^3](－200～0℃)

R(t)=R0(1+At+Bt^2) (0～850℃)

式中，R（t）为温度t时的阻值；R（t0）为温度t0（通常为0摄氏度时温度）时对应电阻值；A,B,C为材料温度系数，实验确定。

半导体热敏电阻: R(t)=Aexp(B/t)

式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。

热电偶温度传感器工作原理：

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。

两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。 其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

（3）发动机各部位与温度传感器主要性能参数、传感器的选择、安装方法

1：进气温度、机油温度通常用热电阻或热敏电阻传感器来进行测量。

热敏电阻主要性能参数有温度范围、热时间常数、耗散系数、热敏电阻B常数、置入深度等。列举以下几种常用型号及其参数。

M系列NTC传感器主要性能参数：

温度范围：工作范围为-40~200℃。

热时间常数：＞=20s。

耗散系数：＞=17.0mW/℃。

MF11、MF12系列NTC传感器主要性能参数：

温度范围：工作范围为-55~125℃。

热时间常数：＜=30s。

耗散系数：＞=6mW/℃。

MF54系列高精度NTC传感器主要性能参数：

温度范围：工作范围为-55~250℃。

热时间常数：＜=20s。

耗散系数：＞=2mW/℃。

此外还有MF52、MF11（-80~200℃），MF51、MF96（300℃以下），MF92（300℃以上）等等。

热电阻主要性能参数有温度范围、线性度、温度系数、响应时间、电阻率、置入深度等。列举以下几种常用型号及其参数。

WZP型（装配型热电阻）主要性能参数：

温度范围：工作范围为-100~600℃。

分度号：Pt100,Pt500,Pt1000。

响应时间：＜=1s。

绝缘电阻：＞=100MΩ。

WZP533型铂热电阻主要性能参数：

温度范围：-50~400℃。

绝缘电阻：＞=100MΩ。

2：排气温度通常用热电偶传感器来进行测量。

热电偶主要性能参数有温度范围、分度号、允许误差等。主要性能温度范围参见热电偶和热电阻技术国际温度标准（分度表）。

3：气缸中燃烧气体温度可采用温度范围很大的热电阻或热电偶测量，这种测量要求金属热惯性小，材料抗氧化能力要求高，高温稳定性要好。所以由于要求较高，通常不采用这种直接接触法测量。

4：各部位传感器的安装。

传感器通常有螺纹安装、磁性吸附、弹簧压紧、活动法兰安装、固定法兰安装、卡套螺纹安装等。

热电阻、热电偶安装注意：为了使热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换，应合理选择测点位置，尽量避免在阀门，弯头及管道和设备的死角附近装设热电阻。带有保护套管的热电阻有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电偶和热电阻应该有足够的插入深度。对于测量管道中心流体温度的热电阻，一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装)。如被测流体的管道直径是200毫米，那热电阻插入深度应选择100毫米；对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度)，为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂，可采取保护管浅插方式或采用热套式热电阻。浅插式的热电阻保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm；热套式热电阻的标准插入深度为100mm。高温下工作的热电偶，为防止保护管在高温下产生变形，一般应垂直安装，若必须水平安装则不宜过长，并用支架保护热电偶。若测温元件安装于介质流速较大的管道中，则其应倾斜安装。为防止测温元件受到过大的冲蚀，最好安装在管道的弯曲处。当介质压力超过10MPa时，必须在测量元件上加保护外套。

（4）常用发动机试验温度传感器的市场价格

普通Pt100系列：通常单件在20元到50元之间。

铠装铂热电阻、热电偶：通常单件在100元到200元之间。

K型热电偶：通常单件在100元到200元之间。

其他外加保护设施和功能的传感器价格昂贵，要求不高的常规试验不适合采用。

（5）发动机试验温度传感器相对应的显示仪表

1：上海佳敏仪表 XMZ—101数显仪，Pt100系列输入单件价格50元左右。

2：烨立工控 WZP2088型温度显示仪，K、E、S、B、T、J型等热电偶输入，单件价格在100元至500元之间。

3：东崎TOKY ST8—A10智能温度显示专用表。 K、J、E、T、S、R、B热电偶以及Pt、Cu热电阻输入。单件价格200元左右。

（六）调研小结

此次调研，主要是通过各种途径了解不同温度传感器的工作原理及其性能参数。通过性能参数和市场价格的对比，提供一些可供于进行发动机温度性能测试的选择依据和方案。主要参考书籍有《传感器选用手册》和《发动机测试技术》。