PN结温度传感器及测温电路原理

PN结温度传感器及测温电路原理

 温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。

    由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。具体可参考本站文章:常用的测温传感器的种类与测温范围 及 常用温度传感器的比较及选型。温度传感器的种类较多，我们主要介绍PN结温度传感器及应用电路。

PN结温度传感器
工作原理
    晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4148）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性，尺寸小，其热时间常数为0.2—2秒，灵敏度高。测温范围为-50—+150℃。典型的温度曲线如图1所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同，因此它们的互换性较差。
 

 应用电路(一)
    图（2）是采用PN结温度传感器的数字式温度计，测温范围-50—150℃，分辨率为0.1℃,在0—100℃范围内精度可达±1℃。
 
    图中的R1，R2，D，W1组成测温电桥，其输出信号接差动放大器A1，经放大后的信号输入0—±2.000V数字式电压表（DVM）显示。放大后的灵敏度10mV/℃。A2接成电压跟随器。与W2配合可调节放大器A1的增益。
    通过PN结温度传感器的工作电流不能过大，以免二极管自身的温升影响测量精度。一般工作电流为100—300mA。采用恒流源作为传感器的工作电流较为复杂，一般采用恒压源供电，但必须有较好的稳压精度。

    精确的电路调整非常重要，可以采用广口瓶装入碎冰渣（带水）作为0℃的标准，采用恒温水槽或油槽及标准温度计作为100℃或其它温度标准。在没有恒水槽时，可用沸水作为100℃的标准（由于各地的气压不同，其沸点不一定是100℃，可用0—100℃的水银温度计来校准）。 
    将PN结传感器插入碎冰渣广口瓶中，等温度平衡，调整W1，使DVM显示为0V，将PN结传感器插入沸水中（设沸水为100℃），调整W2，使DVM实现为100.0V，若沸水温度不是100℃时，可按照水银温度计上的读数调整W2，使DVM显示值与水银温度计的数值相等。再将传感器插入0℃环境中，等平衡后看显示是否仍为0V，必要时再调整W1使之为0V，然后再插入沸水，看是否与水银温度计计数相等，经过几次反复调整即可。
    图中的DVM是通用3位半数字电压表模块MC14433，可以装入仪表及控制系统中作显示器。MC14433的应用电路可参考本网站的常用A/D转换器中的技术手册。它的主要技术指标如下： 
 

基本量程：±1.999V(2V)
线性误差：该读数的0.05%±1字
电源：5—7.5V单电源
平均功耗：300mW
过量程时：数字闪烁
DU脚接地时：数据可保持
 应用电路(二)
    下面我们来看看利用不带A/D转换器的单片机实现测温的应用电路。
 
    这里我们选用内带一个模拟比较放大器的AT89C2051单片机来实现这一功能，AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位单片机，内带2k的Flash程序存储器，128字节的内部RAM,具有15个I/O口，6个中断源，只有20个引脚，价格也相当便宜，可谓价廉物美的单片机。详细的资料可参见本网站的“ATMEL单片机”中的AT89C2051。其中内含一个模拟比较放大器，P1.0是比较放大器的同相输入端，P1.1是比较放大器的反相输入端，这两个输入输出口内部并没有上拉电阻，比较放大器的输出端连至P3.6，也没有引出，但可用指令访问该引脚。
    在该单片机外接RC元件即可构成简单的，低精度的A/D转换电路，电路如图3所示，P1.0（同相端）接上RC充放电阻和电容，P1.1（反相端）作为外部被测温度电压的输入端，作为PN结温度传感器，本身输出电压较低，可参照上一节我们给出的放大电路，温度传感电压经放大后再引至单片机的输入端。P1.2充放电控制端通过一个数kΩ的电阻接正电源Vcc，因为R1远小于R2，可以认为在P1.2输出逻辑高电平时，电压是相当接近Vcc高电平的。
    电路工作过程如下：程序开始时，先置P1.2为逻辑低电平，并延时一小段时间，使P1.2为低电平，电容C经R2放完电，此时，P1.0=0V，而P1.1>0V,比较放大器输出“0”电平，接着置P1.2为高电平，同时定时器开始计时，当电容C上的电压Vc充到Vc=Vx时，P1.0与P1.1的电位相等，比较放大器的同相端和反相端电平相等时，输出端P3.6输出高电平，当扫描查询到P3.6为高电平时即停止计时，那么只要测得开始对电容充电到P3.6输出高电平的时间，通过换算即可得到外部被测温度电压的值。
  
    这里需要指出，从图5中我们可以看到，电容器的充电过程并非线性，其充电过程可以描述为：
 
    这个非线性特性，我们在单片机编程时，可以通过补偿和校正的方法加以解决，最常用的方法也是最简单的方法是通过查表的办法进行修正。这样便可满足一种低精度简易的温度测量要求。