1 溫度的概念

        溫度是一個(gè)基本物理量。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說(shuō)，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。溫度的微觀概念是大量分子運(yùn)動(dòng)平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動(dòng)愈激烈其溫度表現(xiàn)越強(qiáng)烈。溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)(零點(diǎn))和測(cè)量溫度的基本單位。目前國(guó)際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)，攝氏溫標(biāo)，熱力學(xué)溫標(biāo)。自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過(guò)程都與溫度緊密相關(guān)，因此溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，科學(xué)試驗(yàn)以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測(cè)量和控制的一個(gè)重要物理量。另外溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一，象冶金、機(jī)械、食品、化工各類(lèi)工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對(duì)工件的處理溫度要求嚴(yán)格控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，各種慣性器件的性能在不斷提高，體積也在不斷小型化。對(duì)于慣性器件（如加速度計(jì)、陀螺）性能的提高，溫度補(bǔ)償作為一種重要的修正方式越來(lái)越引起人們的注意，因此如何在慣性器件極小的空間內(nèi)精確地測(cè)量、傳輸、處理溫度信息，溫度成了能否使其性能和體積優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提高的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 傳感器的概念與分類(lèi)

        隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，傳感器技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中，在傳感器家族中占有重要地位的成員——溫度傳感器的應(yīng)用也深入了各個(gè)領(lǐng)域。

2.1 傳感器的概念

        從廣義上講，傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置；簡(jiǎn)單說(shuō)傳感器是將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。所以傳感器由信號(hào)感受器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成，它能夠感受一定的信號(hào)并將這種信號(hào)轉(zhuǎn)換成信息處理系統(tǒng)便于接收和處理的信號(hào)（如電信號(hào)和光信號(hào)），有的半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號(hào)，本身就構(gòu)成傳感器。敏感元器件品種繁多，就其感知外界信息的原理來(lái)講，可分為

①物理類(lèi)，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。

②化學(xué)類(lèi)，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。

③生物類(lèi)，基于酶、抗體、和激素等分子識(shí)別功能。

通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線(xiàn)敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(lèi)。

2.2傳感器的分類(lèi)

        傳感器分類(lèi)方法很多，常用的有2種:一種是按被測(cè)的參數(shù)分，另一種是按變換原理來(lái)分。通常按被測(cè)的參數(shù)來(lái)分類(lèi)，可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機(jī)械量參數(shù):位移、力、加速度、重量等;物性參數(shù):比重、濃度、算監(jiān)度等;狀態(tài)量參數(shù):顏色、裂紋、磨損等。溫度傳感器屬于熱工參數(shù)。

        溫度傳感器按傳感器于被測(cè)介質(zhì)的接觸方式可分為2大類(lèi):一類(lèi)是接觸式溫度傳感器，一類(lèi)是非接觸式溫度傳感器，接觸式溫度傳感器的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象要有良好的熱接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡，這時(shí)的示值即為被測(cè)對(duì)象的溫度。這種測(cè)溫方法精度比較高，并在一定程度上還可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的、或?qū)Ω袦卦懈g作用的對(duì)象，這種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

        非接觸測(cè)溫的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交換原理。此種測(cè)溫方法的主要特點(diǎn)是可測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對(duì)象，也可測(cè)溫度場(chǎng)的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。

3溫度傳感器

        溫度傳感器是最早開(kāi)發(fā)，應(yīng)用最廣的一類(lèi)傳感器。根據(jù)美國(guó)儀器學(xué)會(huì)的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場(chǎng)份額大大超過(guò)了其他的傳感器。從17世紀(jì)初伽利略發(fā)明溫度計(jì)開(kāi)始，人們開(kāi)始利用溫度進(jìn)行測(cè)量。真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來(lái)的熱電偶傳感器。五十年以后，另一位德國(guó)人西門(mén)子發(fā)明了鉑電阻溫度計(jì)。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開(kāi)發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

        智能溫度傳感器(亦稱(chēng)數(shù)字溫度傳感器）是在20世紀(jì)90年代中期問(wèn)世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)（ATE_）的結(jié)晶。目前，國(guó)際上已開(kāi)發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D傳感器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。智能溫度傳感器能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU），并且可通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能，其智能化取決于軟件的開(kāi)發(fā)水平。

4 溫度傳感器的發(fā)展階段

溫度傳感器，使用范圍廣，數(shù)量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個(gè)階段：

(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件），主要是能夠進(jìn)行非電量和電量之間轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器——熱電偶傳感器。熱電偶傳感器是工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測(cè)對(duì)象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精度；測(cè)量范圍廣，可從-50~1600℃進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，特殊的熱電偶如金鐵——鎳鉻，最低可測(cè)到-269℃，鎢——錸最高可達(dá)2800℃。

(2)模擬集成溫度傳感器/控制器。模擬集成溫度傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝制成的，因此又稱(chēng)硅傳感器或單片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問(wèn)世的，它將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出等功能。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測(cè)量溫度）、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫，不需要進(jìn)行非線(xiàn)性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。

(3)智能溫度傳感器。目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式想數(shù)字式、集成化向智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

        溫度傳感器按傳感器與被測(cè)介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是接觸式溫度傳感器，一類(lèi)是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象要有良好的熱接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理達(dá)到熱平衡。這種測(cè)溫方法精度比較高，并可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比較小的及對(duì)感溫元件有腐蝕作用的對(duì)象，這種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

       非接觸測(cè)溫的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測(cè)穩(wěn)方法的主要特點(diǎn)是可測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對(duì)象，也可測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。

5 智能溫度傳感器的發(fā)展

        21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。  

5.1 提高測(cè)溫精度和分辨力

        21世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測(cè)溫精度較低，分辨力只能達(dá)到1℃。目前，國(guó)外已相繼推出多種高速度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是9～12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)0.5～0.0625℃。由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.03125℃，測(cè)溫精度為?0.2℃。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為27μs、9μs。

5.2 增加測(cè)試功能

        溫度傳感器的測(cè)試功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線(xiàn)智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶(hù)的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開(kāi)發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。

        傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、待機(jī)模式，有的還增加了低溫極限擴(kuò)展模式，操作非常簡(jiǎn)便。對(duì)某些智能溫度傳感器而言，主機(jī)(外部微處理器或單片機(jī))還可通過(guò)相應(yīng)的寄存器來(lái)設(shè)定其A/D轉(zhuǎn)換速率(典型產(chǎn)品為MAX6654)，分辨力及最大轉(zhuǎn)換時(shí)間(典型產(chǎn)品為DS1624)。  

5.3 總線(xiàn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化

       智能溫度傳感器的總線(xiàn)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用總線(xiàn)主要有單線(xiàn)(1-Wire)總線(xiàn)、I2C總線(xiàn)、SMBus總線(xiàn)和SPI總線(xiàn)。溫度傳感器作為從機(jī)可通過(guò)專(zhuān)用