PN結(jié)溫度傳感器及測溫電路原理

PN結(jié)溫度傳感器及測溫電路原理

?溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器隨溫度而引起物理參數(shù)變化的有：膨脹、電阻、電容、而電動(dòng)勢、磁性能、頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會(huì)不斷涌現(xiàn)。

??? 由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度測量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內(nèi)使用。具體可參考本站文章:常用的測溫傳感器的種類與測溫范圍 及 常用溫度傳感器的比較及選型。溫度傳感器的種類較多，我們主要介紹PN結(jié)溫度傳感器及應(yīng)用電路。

PN結(jié)溫度傳感器
工作原理
??? 晶體二極管或三極管的PN結(jié)的結(jié)電壓是隨溫度而變化的。例如硅管的PN結(jié)的結(jié)電壓在溫度每升高1℃時(shí)，下降-2mV，利用這種特性，一般可以直接采用二極管（如玻璃封裝的開關(guān)二極管1N4148）或采用硅三極管（可將集電極和基極短接）接成二極管來做PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器有較好的線性，尺寸小，其熱時(shí)間常數(shù)為0.2—2秒，靈敏度高。測溫范圍為-50—+150℃。典型的溫度曲線如圖1所示。同型號的二極管或三極管特性不完全相同，因此它們的互換性較差。
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?應(yīng)用電路(一)
??? 圖（2）是采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)，測溫范圍-50—150℃，分辨率為0.1℃,在0—100℃范圍內(nèi)精度可達(dá)±1℃。
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??? 圖中的R1，R2，D，W1組成測溫電橋，其輸出信號接差動(dòng)放大器A1，經(jīng)放大后的信號輸入0—±2.000V數(shù)字式電壓表（DVM）顯示。放大后的靈敏度10mV/℃。A2接成電壓跟隨器。與W2配合可調(diào)節(jié)放大器A1的增益。
??? 通過PN結(jié)溫度傳感器的工作電流不能過大，以免二極管自身的溫升影響測量精度。一般工作電流為100—300mA。采用恒流源作為傳感器的工作電流較為復(fù)雜，一般采用恒壓源供電，但必須有較好的穩(wěn)壓精度。

??? 精確的電路調(diào)整非常重要，可以采用廣口瓶裝入碎冰渣（帶水）作為0℃的標(biāo)準(zhǔn)，采用恒溫水槽或油槽及標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作為100℃或其它溫度標(biāo)準(zhǔn)。在沒有恒水槽時(shí)，可用沸水作為100℃的標(biāo)準(zhǔn)（由于各地的氣壓不同，其沸點(diǎn)不一定是100℃，可用0—100℃的水銀溫度計(jì)來校準(zhǔn)）。?
??? 將PN結(jié)傳感器插入碎冰渣廣口瓶中，等溫度平衡，調(diào)整W1，使DVM顯示為0V，將PN結(jié)傳感器插入沸水中（設(shè)沸水為100℃），調(diào)整W2，使DVM實(shí)現(xiàn)為100.0V，若沸水溫度不是100℃時(shí)，可按照水銀溫度計(jì)上的讀數(shù)調(diào)整W2，使DVM顯示值與水銀溫度計(jì)的數(shù)值相等。再將傳感器插入0℃環(huán)境中，等平衡后看顯示是否仍為0V，必要時(shí)再調(diào)整W1使之為0V，然后再插入沸水，看是否與水銀溫度計(jì)計(jì)數(shù)相等，經(jīng)過幾次反復(fù)調(diào)整即可。
??? 圖中的DVM是通用3位半數(shù)字電壓表模塊MC14433，可以裝入儀表及控制系統(tǒng)中作顯示器。MC14433的應(yīng)用電路可參考本網(wǎng)站的常用A/D轉(zhuǎn)換器中的技術(shù)手冊。它的主要技術(shù)指標(biāo)如下：?
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基本量程：±1.999V(2V)
線性誤差：該讀數(shù)的0.05%±1字
電源：5—7.5V單電源
平均功耗：300mW
過量程時(shí)：數(shù)字閃爍
DU腳接地時(shí)：數(shù)據(jù)可保持
?應(yīng)用電路(二)
??? 下面我們來看看利用不帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測溫的應(yīng)用電路。
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??? 這里我們選用內(nèi)帶一個(gè)模擬比較放大器的AT89C2051單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)這一功能，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位單片機(jī)，內(nèi)帶2k的Flash程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的內(nèi)部RAM,具有15個(gè)I/O口，6個(gè)中斷源，只有20個(gè)引腳，價(jià)格也相當(dāng)便宜，可謂價(jià)廉物美的單片機(jī)。詳細(xì)的資料可參見本網(wǎng)站的“ATMEL單片機(jī)”中的AT89C2051。其中內(nèi)含一個(gè)模擬比較放大器，P1.0是比較放大器的同相輸入端，P1.1是比較放大器的反相輸入端，這兩個(gè)輸入輸出口內(nèi)部并沒有上拉電阻，比較放大器的輸出端連至P3.6，也沒有引出，但可用指令訪問該引腳。
??? 在該單片機(jī)外接RC元件即可構(gòu)成簡單的，低精度的A/D轉(zhuǎn)換電路，電路如圖3所示，P1.0（同相端）接上RC充放電阻和電容，P1.1（反相端）作為外部被測溫度電壓的輸入端，作為PN結(jié)溫度傳感器，本身輸出電壓較低，可參照上一節(jié)我們給出的放大電路，溫度傳感電壓經(jīng)放大后再引至單片機(jī)的輸入端。P1.2充放電控制端通過一個(gè)數(shù)kΩ的電阻接正電源Vcc，因?yàn)镽1遠(yuǎn)小于R2，可以認(rèn)為在P1.2輸出邏輯高電平時(shí)，電壓是相當(dāng)接近Vcc高電平的。
??? 電路工作過程如下：程序開始時(shí)，先置P1.2為邏輯低電平，并延時(shí)一小段時(shí)間，使P1.2為低電平，電容C經(jīng)R2放完電，此時(shí)，P1.0=0V，而P1.1>0V,比較放大器輸出“0”電平，接著置P1.2為高電平，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)電容C上的電壓Vc充到Vc=Vx時(shí)，P1.0與P1.1的電位相等，比較放大器的同相端和反相端電平相等時(shí)，輸出端P3.6輸出高電平，當(dāng)掃描查詢到P3.6為高電平時(shí)即停止計(jì)時(shí)，那么只要測得開始對電容充電到P3.6輸出高電平的時(shí)間，通過換算即可得到外部被測溫度電壓的值。
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??? 這里需要指出，從圖5中我們可以看到，電容器的充電過程并非線性，其充電過程可以描述為：
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??? 這個(gè)非線性特性，我們在單片機(jī)編程時(shí)，可以通過補(bǔ)償和校正的方法加以解決，最常用的方法也是最簡單的方法是通過查表的辦法進(jìn)行修正。這樣便可滿足一種低精度簡易的溫度測量要求。

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