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温度传感器摘要：在工农业生产、医疗、汽车、气象监测以及火灾预防等方面，温度都是一个重要而普遍的测量参数。而且随着近年来我国现代化进程和电子技术产业的高速发展，温度传感器成为不可或缺的一类重要传感器。本文从温度传感起的分类（包括接触式和非接触式），典型温度传感器的原理及一般特性（包括线性度、灵敏度、稳定性以及抗干扰性能），新型温度传感器的应用及发展方向等方面介绍了这一类重要传感器。关键字：温度传感器一、发展现状概述温度是过程控制中最重要的测量变量之一，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。在工业生产中，温度传感器的用途十分广阔，可用作温度测量与控制、温度补偿、流速、流量和风速测定、液位指示、温度测量、紫外光和红外光测量、微波功率测量等而被广泛的应用于彩电、电脑彩色显示器、切换式电源、热水器、电冰箱、厨房设备、空调、汽车等领域。近年来，我国工业现代化的进程和电子信息产业连续的高速增长，带动了传感器市场的快速上升。温度传感器作为传感器中的重要一类，占整个传感器总需求量的40%以上。温度传感器是利用NTC的阻值随温度变化的特性，将非电学的物理量转换为电学量，从而可以进行温度精确测量与自动控制的半导体器件。近年来汽车电子、消费电子行业的快速增长带动了我国温度传感器需求的快速增长。随着科学技术的不断发展，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。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)。二、分类及基本原理温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器(见下表)。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。热电偶：热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围，从?C200℃到2000℃。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。另外，热电偶需要外部参考端。热敏电阻：热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。电阻温度检测器(RTD)：RTD精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它们的最高工作温度只能达到400℃左右。它们也有很大的TC，且价格昂贵(是热电偶的4～10倍)，并且需要一个外部参考源。模拟输出IC温度传感器：模拟输出IC温度传感器具有很高的线性度(如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(55℃～＋150℃)，并且需要一个外部参考源数字输出IC温度传感器：数字输出IC温度传感器带有一个内置参考源，它们的响应速度也相当慢(100ms数量级)。虽然它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比，IC温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。三、新型温度传感器及其特性（一）高精度医用光纤温度传感器在医学领域，温度传感器也扮演着十分重要的角色。在生物医学领域，体温是很重要的生理参数，人体的温度为医生提供了生理状态的信息，对医生做出准确的诊断及治疗有很大的帮助。尤其是在肿瘤热疗的过程中，需要对人体温度进行实时的无损检测，设备要求有很高的精度，以保证肿瘤组织均匀而准确的加热，同时要能够保证其加热温度刚好达到肿瘤细胞死亡的临界温度并且不能对正常组织产生热损害。因此其温度的测量精度要求在±0.1～0.2℃。在肿瘤热疗中温度传感器在对组织温度进行多点实时测量的同时还要消除传统温度计受电磁辐射干扰的问题。目前医学领域使用的温度传感器主要包括家庭常用的水银温度计、电热偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、红外热辐射温度传感器、PN结温度传感器等。表3.1医用温度传感器类型及特性上述传统的医用传感器只能进行点测量，而且传感元件大多为导体，在某些特殊场合如利用超声波和电磁波对肿瘤进行热疗，在核磁场中对病人进行诊断等，这类传感器会带来一系列的问题：1.欧姆热效应使导线上的温度升高，成为附加干扰热源。2.导体的集肤效应使导体表面电流密度随磁场频率增高而增加，使自身温度升高更为严重，导致温度示值产生很大误差甚至无法进行温度测量。3.不能实现分布式测量。为了解决电磁场对温度测量的干扰，并且把点测量延伸到线、面的分布式测量，人们把研究方向转向了光纤式温度传感器。光纤温度传感器采用的是非导电性的玻璃与塑料纤维，相较传统的温度传感器，它可以避免电磁环境对测量数据造成的扰动，且其直径细、重量轻、对被测介质造成的影响小、与生物体亲和性好，这些优点使其在生物科学及医学的研究和治疗等领域都有很高的应用价值。光纤温度传感器按其原理主要分为两大类：一是传光型，它把光强（吸收、类型测量方式物理量测量特性接触式水银温度计热膨胀精度高可达0.1℃、廉价、稳定、单点测量、危险性大热电偶温度传感器热电动势测温范围宽、稳定、准确（精度0.25％～1％）热敏电阻温度传感器电阻精度高（测量范围在0～10℃，测量误差可降到0.01℃）、线性度好、稳定性高PN结温度传感器PN结特性线性度好、灵敏度高、测量范围宽、体积小、性能稳定非接触式红外辐射温度传感器热电动势适用于不方便直接测量的场合、温度灵敏度较低热辐射、折射率变化）、波长（荧光）等于温度有关的信号作为测量信号；二是传感型，利用光的相位、波长（干涉）、强度（散射）作为温度信号。下面以荧光型温度传感器为例说明：工作原理：在一定条件下，当某些荧光材料在合适的激发光激励下会发出较强的荧光，其荧光强度、发射寿命合影光的波长会随外界温度和压力等参数的变化而变化，利用荧光的这一特性可以制成荧光强度型和荧光寿命型等温度传感器。图3.1荧光光纤温度传感器原理图图3.2荧光探头结构荧光衰变时间与温度的关系如下式：τ（T）=（1+exp(-ΔE/kT)/(RE+RTexp(-ΔE/kT))(1-1)其中RE，RT，ΔE，k是常数，T为绝对温度。（二）气象探测温度传感器气象检测方面对温度的准确测量对气候变化的研究、天气预报等都具有重要的意义。考虑到大气中地面辐射、太阳辐射以及高空测温时的沾水误差，气象检测对温度的测量精度有很高的要求。现在已有致力于减小热辐射误差和温度传感器的沾水误差的研究。（1）用于气象探测的低辐射温度误差传感器当太阳光线照射到温度传感器表面时，通过辐射吸收的方式造成的温升降直接叠加在大气温度的测量结果上，相当于给传感器直接加热。传统气象站一般采用加装百叶箱和防辐射罩来减少太阳辐射对测量结果的影响，然而由于百叶箱屏蔽不严密，对风速有明显的削弱作用，破坏了大气连续均匀的状态，使内部气温变化落后于外部，不可避免的造成1～2℃左右的温度误差。针对这一问题，有研究者设计了一种低辐射温度误差传感器。其结构如下：由铜质空心球和Pt100铂电阻温度传感器组成，用绝缘导热硅胶将Pt100铂电阻与空心铜球内壁粘合，用于固定和传热。图3.3低辐射温误差传感器结构示意图通过试验测试结果表明：利用低辐射温度误差传感器的辐射温升比值在不同辐射强度下不变的特性，所推算出的温度与真实环境的温度误差在0.09～0.26℃之间。和传统气象站使用的温度误差传感器相比，低辐射温度传感器具有精度高、响应快、体积小、重量轻、便携性好等优点。（2）双加热温度传感器在探空温度测量中，温度传感器探头暴露在空气中，云滴附着在探头上，由于蒸发吸热等原因，使传感器在穿云时测得的大气温度偏离真实的大气温度。气象探测的数据显示，这种沾水误差通常超过0.2℃，这一点已经成为高空气象探测精度提高的一个重要瓶颈。已有研究表明，传感器的沾水误差和探头的加热响应速度成一定的函数关系，并据此提出了双加热温度传感器的构想。相关的实验研究发现，对探空传感器探头进行恒功率升温时，温度变化的时间常数、沾水误差、降水强度和风速这四个参数成一定的函数关系。通过实验拟合出函数关系，即可通过温度变化的时间常数和风速求解出降水强度和沾水误差。这种传感器通过拟合函数曲线，在一定程度上修正了水沾附传感器产生的温度测量误差，试验结果表明，在一定的风速和降水强度范围内，沾水误差可降至±0.1℃的范围内。与传统的探空温度传感器相比，这种新型传感器的测量精度高，还可在一定范围内测量降水强度，因此在高空探测领域有广泛的应用前景。四、发展前景及展望近年来，微电子技术和计算机技术的发展带动了传感器市场的发展，温度传感器占总传感器需求的40％以上，它被广泛的应用于温度的测量控制、温度补偿、流量和风速的测定等方面。其应用领域也在逐步扩展：在地下道路复合式路面结构层中埋设温度传感器进行实地观测，基于实测数据对路面温度场进行模拟，可以实时监测路面的应力分布情况，为地下道路复合式路面的长期性能研究提供参考；PH传感器和温度传感器采集信号，测量结果通过无线传输方式送给监控部门，从而实现对河流水质的实时监测；基于图像传感器和