1 溫度的概念

        溫度是一個基本物理量。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，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動平均強度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越強烈。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標尺叫溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(零點)和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標，攝氏溫標，熱力學(xué)溫標。自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過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)試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。另外溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一，象冶金、機械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制。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。對于慣性器件（如加速度計、陀螺）性能的提高，溫度補償作為一種重要的修正方式越來越引起人們的注意，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)勢進一步提高的關(guān)鍵問題。

2 傳感器的概念與分類

        隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，傳感器技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。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)換成可用信號的裝置；簡單說傳感器是將外界信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。所以傳感器由信號感受器和信號轉(zhuǎn)換器組成，它能夠感受一定的信號并將這種信號轉(zhuǎn)換成信息處理系統(tǒng)便于接收和處理的信號（如電信號和光信號），有的半導(dǎo)體敏感元器件可以直接輸出電信號，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講，可分為

①物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)。

②化學(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。

③生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。

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、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

2.2傳感器的分類

        傳感器分類方法很多，常用的有2種:一種是按被測的參數(shù)分，另一種是按變換原理來分。通常按被測的參數(shù)來分類，可分為熱工參數(shù):溫度、比熱、壓力、流量、液位等;機械量參數(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介質(zhì)的接觸方式可分為2大類:一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器，接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導(dǎo)及對流原理達到熱平衡，這時的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，并在一定程度上還可測量物體內(nèi)部的溫度分布，但對于運動的、熱容量比較小的、或?qū)Ω袦卦懈g作用的對象，這種方法將會產(chǎn)生很大的誤差。

        非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。目前最常用的是輻射熱交換原理。此種測溫方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測溫度場的溫度分布，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發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。根據(jù)美國儀器學(xué)會的調(diào)查，1990年，溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初伽利略發(fā)明溫度計開始，人們開始利用溫度進行測量。真正把溫度變成電信號的傳感器是1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來的熱電偶傳感器。五十年以后，另一位德國人西門子發(fā)明了鉑電阻溫度計。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀相繼開發(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(亦稱數(shù)字溫度傳感器）是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE_）的結(jié)晶。目前，國際上已開發(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、信號處理器、存儲器（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）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（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），并且可通過軟件來實現(xiàn)測試功能，其智能化取決于軟件的開發(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)測量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質(zhì)的影響，具有較高的精度；測量范圍廣，可從-50~1600℃進行連續(xù)測量，特殊的熱電偶如金鐵——鎳鉻，最低可測到-269℃，鎢——錸最高可達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80年代問世的，它將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出等功能。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。

(3)智能溫度傳感器。目前，國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介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類：一類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導(dǎo)及對流原理達到熱平衡。這種測溫方法精度比較高，并可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕作用的對象，這種方法將會產(chǎn)生很大的誤差。

       非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測穩(wěn)方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標及熱容量小或變化迅速的對象，也可測量溫度場的溫度分布，但受環(huán)境的影響比較大。

5 智能溫度傳感器的發(fā)展

        21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。  

5.1 提高測溫精度和分辨力

        21世紀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，其測溫精度較低，分辨力只能達到1℃。目前，國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0.5～0.0625℃。由美國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位二進制數(shù)據(jù)，其分辨力高達0.03125℃，測溫精度為?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，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為27μs、9μs。

5.2 增加測試功能

        溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實時日歷時鐘(RTC)，使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測控系統(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、待機模式，有的還增加了低溫極限擴展模式，操作非常簡便。對某些智能溫度傳感器而言，主機(外部微處理器或單片機)還可通過相應(yīng)的寄存器來設(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)換時間(典型產(chǎn)品為DS1624)。  

5.3 總線技術(shù)的標準化與規(guī)范化

       智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采用總線主要有單線(1-Wire)總線、I2C總線、SMBus總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用