温度传感器的原理研究及应用设计

温度传感器的原理研究及应用设计

摘 要

温度传感器是检测温度的器件，它是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。目前，温度传感器已被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等重要领域。因此，有关温度传感器的研究不仅具有重要的理论意义和科学价值而且具有广阔的应用前景。本文第一部分主要阐述了各种温度传感器的工作原理及其应用。第二部分先着重分析了热敏电阻中的负温度系数热敏电阻(NTC)的电阻—温度特性；然后对AD590的基本结构、主要性能以及基本工作原理进行了阐述，介绍了该器件在温度检测中的应用设计。AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。NTC热敏电阻作为一种灵敏度高和分辨率高、可靠性好、热响应特性好、体积小，适于批量生产的元件，多年来一直受到电子电器行业的欢迎。

关键词：温度传感器，热敏电阻，控温电路，温度测量电路

THE PRINCIPLES STUDY AND APPLICATION

DESIGN OF TEMPERATURE SENSOR

ABSTRACT

Temperature Sensor is the device of detecting the temperature, it is made of some metals, semiconductors and other materials related to the temperature．At present, the temperature sensor has been widely used in industrial and agricultural production, scientific research and other important areas of life．Therefore, the temperature sensor not only has important theoretical significance and scientific value and broad application prospects．This paper describes the first part of the major works of various temperature sensors and its application. The second part analyzes the thermal resistance of the first in the negative temperature coefficient thermistor(NTC) of resistance-temperature characteristics; then the basic structure of the AD590,the main performance ,and describes the basic working principle is introduced in the temperature of the device Detection of design．AD590 AD companies use the PN junction is forward current with temperature at both ends made of the current output-type temperature sensor．NTC thermistor as a high sensitivity and high resolution，reliability，and thermal response characteristics of a good， small size，suitable for mass production of components，has been welcomed by the electrical and electronic industries．

KEY WORDS: temperature sensor, thermistor, temperature control circuit, temperature measurement circuit

前 言 ..................................................................................................... 1

第一章 常见温度传感器 ...................................................................... 3

§1.1 铂电阻 ..................................................................................... 3

§1.2 PN结温度传感器 .................................................................... 4

§1.3 集成温度传感器 ..................................................................... 5

§1.3.1 电压型集成温度传感器(LM35) ..................................... 5

§1.3.2 电流型集成温度传感器(AD590) ................................... 6

§1.4 热敏电阻温度传感器 .............................................................. 8

第二章 NTC负温度系数热敏电阻的应用开发 .................................. 10

§2.1 NTC负温度系数热敏电阻R-T特性 .................................... 12

§2.2 NTC热敏电阻的电阻测量 .................................................... 13

§2.2.1 直流电桥法测量热敏电阻 ........................................... 14

§2.2.2 恒电流法测量热敏电阻 ............................................... 14

§2.3 NTC热敏电阻控温电路应用设计 ........................................ 15

第三章 AD590简介及应用电路分析.................................................. 19

§3.1 AD590简介 ........................................................................... 19

§3.2 AD590的特性测量 ................................................................ 19

§3.3 AD590应用电路分析设计 .................................................... 20

§3.3.1 AD590基本应用电路 .................................................... 21

§3.3.2 摄氏温度测量电路 ....................................................... 21

§3.3.3 热力学温度温差测量电路 ........................................... 22

§3.3.4 数字温度计 ................................................................... 23

结 论 ................................................................................................... 28

参考文献 ............................................................................................. 29

致 谢 ................................................................................................... 31

人类已经进入了科学技术空前发展的信息社会，科学研究和生产过程都要获取大量的信息。传感器作为感知、获取与检测信息的窗口，能够采集各种有用的信息并将其转换为容易传输和处理的信息，为计算机、智能机器人、自动化设备、自动控制装置充当“传感器官”。传感器在自动检测与控制系统中必不可少，而且科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖就越大[1]。温度传感器是传感器中的一种，在传感器中占据重要地位。目前，温度传感器已被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等重要领域。因此，有关温度传感器的研究不仅具有重要的理论意义和科学价值而且具有广阔的应用前景。

温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。温度传感器是检测温度的器件，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，其种类多，发展快。温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式。而非接触式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量物体的温度，可进行遥测，这是接触方式所做不到的[2]。

接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等，利用其产生的热电动势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度，被广泛用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工业测量、通信设备等。另外，还有一些新开发研制的传感器，例如，有利用半导体PN结电流－电压特性随温度变化的半导体集成传感器；有利用光纤传播特性随温度变化或半导体透光随温度变化的光纤传感器；有利用弹性表面波及振子的振荡频率随温度变化的传感器；有利用核四重共振的振荡频率随温度变化的NQR传感器。

非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度，有利用半导体吸收光而使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器。非接触传感器广泛用于接触温度传感器、辐射温度计、报警装置、来客告知器、火灾报警器、自动门、气体分析仪、分光光度计、资源探测等。

热敏电阻的基本电气特性是它们的电阻随其温度变化而改变。它们不产生信号，热敏电阻温度会随周围环境的温度或电流通过热敏电阻而导致的自

热而改变,从而阻值的大小也会发生变化。大多数应用，例如温度测量与控制或铜线圈补偿都要求热敏电阻中的功率维持在最小的状态下，以免引起自热；其它应用完全取决于自热效应，当周围环境温度保持不变时，热敏电阻的阻值很大程度上是热敏电阻的功率的函数，自热效应将其温度升高到高于外界环境的温度。

在这些工作条件下，温度可升高100℃～200℃，电阻可降至低电流条件下电阻值的千分之一，这种自热特性使各个领域都可使用热敏电阻。在自热状态下，热敏电阻对改变热敏电阻的热传导率的任何条件都是热敏感的[3]。如果排热速率可理想地固定不变，则热敏电阻对功率输入是敏感的，因而，热敏电阻适合于电压或功率电平控制场合。

在温度传感器中使用得比较普遍的元件，虽然有双金属片热电偶、热敏电阻器、铂电阻、感温铁氧体等，但是在汽车、家用电器等领域，使用得最多的，还是价格低廉、精度较高、可靠性好的NTC热敏电阻器。特别是在－50℃～300℃的温度范围内，在检测、控制温度方面使用得更多一些。在家用电器方面，如应用于电饭锅、干燥箱的温度传感器上；可作为电子礼品，如万年电子台历；在工业上，如应用于医药、化工生产设备中的温度传感器上；还可用于电池充电器等。

随着电子设备的集成度的提高，集成温度传感器也广泛应用起来。集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。这种传感器最大的优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出。目前，集成温度传感器已广泛用于－50℃～＋150℃温度范围内温度的检测、控制和补偿等。集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型两种。AD590是典型的电流输出型集成温度传感器。在集成温度传感器中由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，它应用相当广泛，常用于测温和温度检测和控制领域在工程上主要应用于测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度等。

总之，大家都已认识到温度传感器在整个科学技术及人类生活中的重要性。目前，全世界都越来越重视新型传感器的研究和开发，可以预测传感器技术必将获得迅速发展[4]。

第一章 常见温度传感器

温度是与人类生活息息相关的物理量，在工业生产自动化流程中，温度测量点要占全部测量点的一半左右。它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要，所以温度传感器应用相当广泛。温度传感器对温度敏感具有可重复性和规律性，是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。现在来介绍一些温度传感器的工作原理。

§1.1 铂电阻

导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器。能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：(1) 电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；(2) 电阻率高，热容量小，反应速度快；(3) 材料的复现性和工艺性好，价格低；(4) 在测量范围内物理和化学性质稳定。虽然铁、镍的温度系数和电阻率比铂、铜要高，但是由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。目前，在工业中应用最广泛的材料是铂和铜[5]。

铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化介质中非常稳定。铂电阻的输入－输出特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件，还能作为温度计作基准器。

铂电阻与温度之间的关系，在0℃～630.74℃范围内可用下式表示为

RTR01ATBT2 (1-1)

在-200℃～0℃的温度范围内为 

RTR01ATBT2CT3 (1-2)

在式(1-1)和(1-2)中，R0和RT分别为温度在100℃和T时铂电阻的电阻值，A、

B、C为温度系数，由实验确定，A3.90802103℃-1，B5.80195107℃-2，C4.273501012℃-4。由式(1-1)和式(1-2)可见，要确定电阻RT与温度T的关系，首先要确定R0的数值，R0值不同时，RT与T的关系不同。目前国内

统一设计的一般工业用标准铂电阻R0值有100和500两种，并将电阻值RT与温度T的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度表分别用Pt100和Pt500表示。

铂电阻在常用的热电阻中准确度最高，国际温标ITS-90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033℃～961.780℃标准温度计来使用。铂电阻广泛用于-200℃～850℃范围内的温度测量，工业中通常在600℃以下。

§1.2 PN结温度传感器

PN结温度传感器是利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。实验表明，在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。

根据PN结理论，对于理想二极管，只要正向电压UF大于几个kbT/e(kb为波尔兹曼常数，e为电子电荷)。其正向电流IF与正向电压UF和温度T之间的关系可表示为

UFUg

式(1-3)中，Ug

B和r为常数。

kbqrIFIn3InTT (1-3) 2BEg，Eg为材料在T=0K时的禁带宽度(以eV为单位)，e

图1-1 砷化镓(a)和硅(b)二极管正向电压随温度的变化

由半导体理论可知，对于实际二极管，只要它们工作的PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，而又未发生大注入效应的电压和温度范围内，其特性与上述理想二极管是相符合的[6]。实验表明，对于砷化镓、

锗和硅二极管，在一个相当宽的温度范围内，其正向电压与温度之间的关系与式(1-3)是一致的，如图1-1所示。

实验发现晶体管发射结上的正向电压随温度的上升而近似线性下降，这种特性与二极管十分相似，但晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。二极管的温度特性只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流除扩散电流成分外，还包括空间电荷区中的复合电流和表面漏电流成分。这两种电流与温度的关系不同于扩散电流与温度的关系，因此，实际二极管的电压—温度特性是偏离理想情况的。

由于三极管在发射结正向偏置条件下，虽然发射结也包括上述三种电流成分，但是只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电极电流，而另外两种电流成分则作为基极电流漏掉，并不到达集电极。因此，晶体管的

所以表现出更好的电压－温ICUBE关系比管的IFUF关系更符合理想情况，

度线性关系。根据晶体管的有关理论可以证明，NPN晶体管的基极—发射极电压UBE与温度T和集电极电流Ic的函数关系式与二极管的UF与T和IF函数关系式(1-3)相同。因此，在集电极电流Ic恒定条件下，晶体管的基极—发射极电压UBE与温度T呈线性关系。但严格地说，这种线性关系是不完全的，因为关系式中存在非线性项。

§1.3 集成温度传感器

集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。这种传感器的优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出[7]。目前，集成温度传感器已广泛用于-50℃～+150℃温度范围内的温度检测、控制和补偿等。集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型两种。

§1.3.1 电压型集成温度传感器

电压型集成温度传感器(LM35)，标准T0-92工业封装，其准确度一般为±0.5℃(有几种级别)。由于其输出为电压且线性极好，故只要配上电压源、数字式电压表就可以构成一个精密数字测温系统。内部的激光校准保证了极

高的准确度及一致性，且无须校准。输出电压的温度系数KV10.0mV利用下式可计算出被测温度t(℃)为 oC，

U0KVt10mVoCt

即

toCU0mV(1-4)

LM35温度传感器的电路符号见图1-2，V0为输出端。

图1-2 LM35温度传感器的电路符号

实验测量时只要直接测量其输出端电压U0，即可知待测量的温度。

§1.3.2 电流型集成温度传感器

电流型集成温度传感器AD590，其输出电流大小与温度成正比。它的线性度极好，AD590温度传感器的温度适用范围为-55℃～150℃，灵敏度为1AK。它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点。AD590是一个二端器件，电路符号如图1-3所示。

图1-3 AD590电路符号

AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗>10MΩ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。

AD590的工作电压为+4V～+30V，测温范围是-55℃～150℃。对应于热力学温度T，每变化1K，输出电流变化1A。其输出电流I(A)与热力学温度T(K)严格成正比。其电流灵敏度表达式为

I3kln8 (1-5) TeR

式(1-5)中k、e分别为波尔兹曼常数和电子电量，R是内部集成化电阻。将k/e=0．0862mV/K，R=538Ω代入(1-5)中得到

I=1.000A/K (1-6) T

在T=0(K)时其输出为273.15A(AD590有几种级别，一般准确度差异在±3A～5A)。因此，AD590的输出电流I的微安数就代表着被测温度的热力学温度值(K)，AD590的输出电流I与温度T的特性曲线如图1-4所示。

图1-4 AD590的电流-温度(I-T）特性曲线

其输出电流表达式为

IATB (1-7)

式(1-7)中A为灵敏度，B为0K时输出电流。

如需显示摄氏温标(℃)则要加温标转换电路，其关系式为

tT273.15 (1-8)

AD590温度传感器其准确度在整个测温范围内±0.5℃，线性极好。利用AD590的上述特性，在最简单的应用中，用一个电源，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温度的测量。

图1-5 实验测量电路

§1.4 热敏电阻温度传感器

半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻阻值随温度变化的特性制成的用来测量温度的温度敏感元件，按电阻阻值随温度升高而减小或增大，分为负温度系数(NTC)热敏电阻、正温度系数(PTC)和临界温度系数(CTC)热敏电阻[8]。在所有温敏元件中，热敏电阻占有极为重要的位置，占整个温敏元件问题的几乎40%。热敏电阻电阻率大，温度系数大，但其非线性大，置换性差，稳定性差，通常只适用于一般要求不高的温度测量。以上几种热敏电阻特性曲线见图1-6。

图1-6 三种热敏电阻特性曲线

在一定的温度范围内(

RTR0e11BTT0 (1-9)

T0K时的电阻值(K为热力学温度单位开)；R0是温度为TK，式(1-9)中RT、

B是热敏电阻材料常数，一般情况下B为2000K～6000K[9]。

对一定的热敏电阻而言，B为常数，对上式两边取对数，则有

11lnRTBlnR0 (1-10) TT0

由(1-10)式可见，lnRT与1/T成线性关系，作lnRT～(1/T)曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数B。

热敏电阻的主要特点[10]是：(1) 灵敏度较高；(2) 工作温度范围宽；(3) 体积小；(4) 使用方便，电阻值可在0.1k～100k间任意选择；(5) 易加工成复杂的形状，可大批量生产；(6) 稳定性好、过载能力强。

第二章 NTC负温度系数热敏电阻的应用开发

NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的[11]。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因此在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料，其主要的特点是在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。当温度较低时，这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目一般比较少，所以此时其电阻阻值比较高；但随着温度的升高，载流子数目越来越多，所以其电阻阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的温度变化范围在100Ω～1MΩ，温度系数一般为－2%～6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于家用电器等产品中，以达到温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等作用。

NTC负温度系数热敏电阻专业术语[12]

零功率电阻值RT(Ω)：RT指在规定温度T时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。用于测量的NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，其电阻值和温度变化的关系式为

11RTRNexpB() (2-1) TTN

式(2-1)中各字母意义解释如下：

RT：在温度T(K)时的NTC热敏电阻阻值。

RN：在额定温度TNK时的NTC热敏电阻阻值。

T：规定热力学温度(K)。

B：NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。

exp：以自然数e为底的指数(e=2.71828 …)。

关系式(2-1)是经验公式，只在额定温度TN或额定电阻阻值RN的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B本身也是温度T的函数。

额定零功率电阻值R25(Ω)：根据国标规定，额定零功率电阻值是NTC热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值R25，这个电阻值就是NTC热敏电阻的标称电阻值。通常所说NTC热敏电阻多少阻值，亦指该值。

材料常数(热敏指数)B值(K)：B值被定义为

BTTR12lnT1 (2-2) T2T1RT2

式(2-2)中RT1表示温度T1K时的零功率电阻值；RT2表示温度T2K时的零功率电阻值；T1、T2表示两个被指定的温度(K)。

对于常用的NTC热敏电阻，B值范围一般在2000K～6000K之间。 零功率电阻温度系数(T)：在规定温度下，NTC热敏电阻零功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。

T1dRTB2 (2-3) RTdTT

式(2-3)中各字母意义解释如下：

T：温度T(K)时的零功率电阻温度系数。

RT：温度T(K)时的零功率电阻值。

T：温度(K)。

B：材料常数。

若B =4000K，T=323.15K(50℃)，则=-3.8%/℃。可见，是表征热敏电阻材料性能的重要参数。

耗散系数()：在规定环境温度下，NTC热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。

P (2-4) T

式(2-4)中表示NTC热敏电阻耗散系数，(mW/K)；P表示NTC热敏电阻消耗的功率(mW)；T表示NTC热敏电阻消耗功率P时，电阻体相应的温度变化(K)。

热时间常数()：在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始末两个温度差的63.2%时所需的时间，热时间常数与NTC热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。

C

式(2-5)中各字母意义解释如下： (2-5)

：热时间常数(s)。

C：NTC热敏电阻的热容量。

：NTC热敏电阻的耗散系数。

额定功率Pn：在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。

最高工作温度Tmax：在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期连续工作所允许的最高温度。即

TmaxT0式(2-6)中T0表示环境温度。 Pn (2-6) 8

测量功率Pm：热敏电阻在规定的环境温度下，阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。

一般要求阻值变化大于0.1%，则这时的测量功率Pm为

Pm8 (2-7) 1000a

电阻温度特性：NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表示

RT (2-8) 式(2-8)中各字母意义解释如下： BT

RT：温度为T时的零功率电阻值。

A：与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。

B：B值。

T：温度(K)。

更精确的表达式为

RTAexp(BCD (2-9) )TT2T3

式(2-9)中：RT表示热敏电阻器在温度T时的零功率电阻值；T为绝对温度值(K)；A、B、C、D：特定的常数。

§2.1 NTC负温度系数热敏电阻R-T特性

在一定范围内，NTC热敏电阻的阻值随温度升高而呈非线性下降，如图2-1、图2-2所示。

图2-1 B值相同， 阻值不同的R-T特性曲线示意图

图2-2 相同阻值，不同B值的NTC热敏电阻R-T特性曲线示意图

§2.2 NTC热敏电阻的电阻测量

§2.2.1 直流电桥法测量热敏电阻

图2-3 直流平衡电桥(惠斯通电桥)的电路

把四个电阻R1, R2, R3, Rt连成一个四边形回路ABCD，每条边称作电桥的一个“桥臂”在四边形的一组对角接点A、C之间连入直流电源E，在另一组对角接点B, D之间连入平衡指示仪表，B, D两点的对角线形成一条“桥路”，它的作用是将桥路两个端点电位进行比较，当B, D两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示器示值为零，电桥达到平衡[13]。电路图如图2-3所示。若指示器指零，有UAB=UAD，UBC=UDC，电桥平衡时，电流Ig=0，流过电阻R1、R3的电流相等，即I1=I3，同理I2=IRt，因此，得出下式

R1R3RRt2R3 (2-10) R2RtR1

若R1R2，则有：RtR3。

§2.2.2 恒电流法测量热敏电阻

图2-4 恒电流法测量热敏电阻电路

恒电流法测量热敏电阻的电路图如图2-4所示，电源采用恒流源，R1为已知数值的固定电阻，Rt为热敏电阻。UR1为R1上的电压，URt为Rt

上的电

压，UR1用于监测电路的电流，当电路电流恒定时则只要测出热电阻两端电压

URt，即可知道被测热电阻的阻值。当电路电流为I0，温度为t时，热敏电阻

Rt为

RtURtRU1Rt (2-11) IOUR1

§2.3 NTC热敏电阻控温电路应用设计

图2-5 控温实验电路

实验电路分析如下：

1、实验电路如图2-5所示，它是有具负温度系数电阻特性的热敏电阻(NTC元件)RT为一臂组成测温电桥，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号，经复合管放大后控制加热器“加热”与“停止”。RW1可决定测温电桥的平衡。改变滞回比较器的比较电压UREF即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞环宽度确定。

2、控制温度的标定

首先确定控制温度的范围。设控温范围为T1℃～T2℃，标定时将NTC元件RT置于T1℃的恒温槽中，例如置于放有冰水混合物的恒温槽中，调整RW1使UC＝UD，此时的RW位置标为0℃，同理将NTC元件RT置于盛有沸水的恒温槽中，调整RW1使UC＝UD，可标定温度100℃的位置。根据控温精度要求，可在T1℃～T2℃之间作若干点，在电位器RW1上标注相应的温度刻

度即可。若RW1调不到所要求值，则应改变R3或RW1的阻值。控温电路工作时，只要将RW1对准所要求温度，即可实现恒温控制。

3、实验电路分析

(1) 电桥电路

桥臂R1～R2的阻值是固定且相等，桥臂RW1阻值可变，桥臂Rt是具有负温度系数的NTC热敏电阻，将Rt置于任一温度的恒温槽中，调节RW1使UC＝UD，从而达到电桥平衡。

(2) 仪表放大器

电路中A1、A2、A3三个集成运放都接成比例运算电路的形式。电路包含两个放大级，A1、A2组成第一级，二者均为同相输入方式，因而输入电阻很高。由于电路结构对称，因此漂移可以互相抵消。第二级的A3为反相输入方式，将双端输入转换为单端输出。当加上差模输入电压uIuAB时，A1与A2的输出电压大小相等，极性相反，且R4=R6，此时可认为电阻R5的中点电位保持不变，即在R5/2处相当于交流接地，则运放的工作情况如图2-6所示。

图2-6 仪表放大器原理图

由图可得

2RRuO114uI114uI1 (2-12) R5R5/2

同理

2RRuO216uI214uI2 (2-13) R5R5/2

则

2R2RuO1uO214uI1uI214uI (2-14) R5R5

A3为反相输入比例运算电路，已知R7=R9，R8=R10，则

uOuCR8uO1uO2 (2-15) R7

因此，该仪表放大器总的输出输入关系为

uOuC

(3) 滞回比较器 R82R41u (2-16) R7R5I

A4为滞回比较器，又称为施密特触发器，其电路图如图2-7所示。输入

电压uIuC经电阻R11加在集成运放的反相输入端，参考电压UREF接在同相输入端，然后再从输出端通过电阻R13引回同相输入端。电阻R14和背靠背稳压管VDZ的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在UZ。当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等，即uNuP时，输出端的状态将发生跳变。其中uNuIuC，uP则由参考电压UREF及输出电压uO二者共同决定，而uO有两种可能的状态：UZ或UZ。由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平UT和UT，其传输特性呈滞回状，如图2-8所示。

图2-7 滞回比较器电路图

图2-8 传输特性

现在来估算滞回比较器两个门限电平的值。利用叠加原理[14]可以求得同相输入端的电位为

uP

R13RS

UREFu (2-17)

RSR13RSR13O

若原来u0UZ，当uI逐渐增大时，使uO从UZ跳变为UZ所需的阈值电压用UT表示，则

uT

R13RS

UREFuZ (2-18)

RSR13RSR13

若原来的u0UZ，当uI逐渐减小，使uO从UZ跳变为UZ所需的阈值电压用UT表示，则

uT

R13RS

UREFuZ (2-19)

RSR13RSR13

则滞回曲线的门限宽度UT表示，由以上两式可求得

UTUTUT

2RS

UZ (2-20)

RSR13

首先确定参考电压UREF的值。调节RW2使UREF=4V，当调节RW1由最大值逐渐减小到灯亮和灯息临界状态时为T1℃，根据滞回比较器的传输特性，此时UC=UD，100Ω/2W电阻的温度就是当前室温，不用测量温度可用手感觉到。调节到T2℃情况下，经过仪表放大器后输出的|UC|很大，根据滞回比较器的传输特性，UE为正稳压值，复合管起放大作用，电压对100Ω/2W电阻开始加热，灯亮。此时RT随电阻温度的增加而阻值减小，UA逐渐逼近UB值，|UC|逐渐减小到UC

第三章 AD590简介及应用电路分析

§3.1 AD590简介

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：

1、流过器件的电流(A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即

Ir

（1A/K） (3-1) T

式(3-1)中：Ir表示流过器件(AD590)的电流，单位为A；T表示热力学温度，单位为K。

2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。 电源电压可在4V～6V范围变化，电流Ir变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4、输出电阻为710MΩ。

5、精度高。AD590有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃[15]。

§3.2 AD590的特性测量

集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55℃～+150℃之间的温度测量。温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时，其基极发射极电压与温度成线性关系，为克服温敏晶体管Vb电压产生时的离散性，采用了特殊的差分电路。集成温度传感器具有电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定的温度T时相当于一个恒流源[16]。因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有很好的线性特性。本实验采用国产的AD590，它只需要一种电(4.5V～24V)即可实现温度到电流的线性变换，然

后在终端使用一只取样电阻，即可实现电流到电压的转换。它使用方便，并且电流型比电压型的测量精度高。 一、测量内容

测量AD590在电源电压稳定时，输出电流与温度的关系及不同温度下的伏安特性，采用图3-1所示电路[22]。

图3-1 AD590的特性测量电路

实验中为了测量不同温度下的AD590的特性，必须将AD590用铝外壳保护且引线用绝缘材料封闭，置于恒温水浴中[23]。伏特表测量电阻两端的电压。由于AD590近似于高精度电流源，所以要求伏特表有足够的测量精度，本实验采用了三位半数字电压表测量电压值。对于电阻R，一方面要有足够的有效数字，另一方面其压降又要使伏特表的读数有足够的有效数字。本实验采用了0.1级电阻箱。数值为200.0Ω，由I=V/R，即得AD590上的电流值。以温度作为自变量，电流I为因变量，方程为

IT (3-2)

式(3-2)中：T为温度；,为待定参数。

§3.3 AD590应用电路分析设计

§3.3.1 AD590基本应用电路

图3-2 AD590的封装形式与基本应用电路图

图3-2(a)是AD590的封装形式，图3-2(b)是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压V随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0273.2mV；或在室温下(25℃条件下调整电位器，使V0273.225298.2mV)。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度[17]。

§3.3.2 摄氏温度测量电路

AD590是电流输出型集成温度传感器。在设计测量温度电路时，必须将电流转换成为电压。温度每升高1K，电流就增加1A。摄氏温度测量电路的设计必须完成两部分任务[18]：一是将AD590输出的电流转换为电压信号,也就是电流转换为电压电路。二是将热力学温度转换成摄氏温度，即绝对温度转换为摄氏温度电路。摄氏温度测量电路工作原理见图3-3。

根据AD590的特性，温度每升高1K热力学温度，电流增加1A，当负载电阻为10KΩ，这个电阻上的压降为10mV。其中AD590、电位器RP1和R1、运算放大器A1组成电流电压转换电路，A1连接为电压射随器形式，主要为增加信号的输入电阻。而运算放大器A2为绝对温度转换为摄氏温度的核

心器件，其转换原理为摄氏零度对应热力学273K，因此热力学转换为摄氏温度必须设置基准电压，数值为摄氏零度对应的电压值2.73V。实现方法是给A2的同名端输入一个恒定的电压，恒定电压由限流电阻R2和稳压管提供，恒定电压选择稳压管型号为CW385，数值为1.235V，由A2将此电压放大为2.73V，RP2为调整A2运算放大器增益的大小。通过转换电路，这样在A1、A2输出端的电压即为与摄氏温度成正比的电压数值，即每摄氏度对应100mV的电压数值[23]。

图3-3 摄氏温度测量电路

§3.3.3 热力学温度温差测量电路

在工程上，有时候需要测量两点或多点的温度之差。下面以两点温度之差来说明AD590在测量温差电路中的应用。电路由二大部分组成[19]，一是温度的变化形成的电流转换为电压，电路主要由AD590、R1、RP1以及AD590、R2、RP2组成。二是热力学温度比较电路，电路组成主要由两个运算放大器连接成射随器，A1、A2分别将两个集成温度传感器的热力学温度转换成电压数值，然后进行比较，热力学温度差值为10mVK。具体电路如图3-4所示。

图3-4 热力学温度温差测量电路

§3.3.4 数字温度计

数字温度计是由温度传感器、调理电路、A/D转换器及数显等电路模块构成的测量系统，如图3-5所示。

数字电压表

图3-5 测量系统

1、信号调理电路

信号调理电路如图3-6所示，采样电阻R1上的电压

U1IR1R1atbAtB (3-3)

此信号送给放大器进行放大处理，放大器的输出电压为

UO

RF2R

(U1UR)F2AtBUR (3-4) R7R7

R2、R3构成的分压环节用来产生UR，就是为了抵消输出电压中的常数

项。调节R3，改变UR，使

BUR0 (3-5)

则

UO

RF2

AtKt (3-6) R7

输出电压与摄氏温标成正比。我们把调节R3称为调零。调节RF可以改变放大器的放大倍数(K1

RF[20]

)，从而改变整个测量系统的灵敏度。我们把R4

调节RF称为灵敏度调节。

电容CF在电路中构成低通滤波器，它将电路中可能出现的交流干扰滤除，对直流信号不起作用。

图3-6 信号调理电路

2、双积分型A/D转换器

选用双积分型ICL7106芯片作为3位A/D转换器。双积分型A/D转换电路原理如图3-7所示，它由积分器、零值比较器、时钟脉冲控制门，计数器及控制开关S等所组成。其工作过程分成两个阶段： (1) 采样阶段

控制电路将控制开关S与模拟输入电压Ui接通，积分器对Ui进行积分，同时使时钟脉冲计数门打开，计数器计数。当Ui为直流电压或缓慢变化的电压时，积分器将输出一斜变电压(见图3-7(b))。经过一个固定时间T1后，计数器达到满限量N1值，计数器复零，并送出一个溢出脉冲，该溢出脉冲使逻辑控制电路发出信号，将开关S接向与Uib极性相反的参考电压UR，采样阶段结束。此阶段的特点是采样时间T1是固定的，积分器最后的输出电压决定于模拟输入电压Ui的平均值Uiav(采样阶段又称定时积分阶段)。

U0X

T11T1

UdtUiav (3-7) i0RCRC

t

t

(b)

t

(a)

(a)电路原理框图 (b)波形图

图3-7 双积分型

A/D转换

(2) 测量阶段

当开关S接向与Ui极性相反的参考电压后(图3-7(b)中Ui为负，则接于

UR)，积分器开始反方向积分，即积分器输出电压U0值向零电平方向斜变。与此同时，计数器又从零开始计数，当积分器输出电压达到零时，零位比较器动作，发出关门信号，计数器停止计数，并发出记忆指令，将此阶段中计得的数字N2送存储器并输出。

此阶段的特点是被积分的电压是固定的参考电压UR，因而积分器输出电压的斜率固定，而最终计得的数N2所对应的积分时间T2则决定于UOX之值。

0UOX

T11T21T2

UdtUURdt (3-8) Ria00RCRCRC

T1T

Uia2UR (3-9) RCRC

T2

T1TT

Uia N2UiavKUiav (3-10) URTCTCUR

式中TC为时钟脉冲周期。

这个阶段又称为定值积分阶段，定值积分结束时得到的数字N2，就是转换结果。转换过程的波形示于图3-7(b)。由于在转换过程中，积分器输出是两个斜变电压，故称双斜式积分型A/D转换器。双积分型的A/D转换器与逐次比较型A/D转换器相比较，其转换速度较慢，但它的抗干扰能力及转换

精度较高，所以常用于对转换精度要求较高，对采样速度要求不高的一些测量仪表中(如数字电压表、数字万用表、数字温度计等)。

图3-8 ICL7106及EDS801的引脚

3、数字电压表

将A/D转换器的输出数字显示就构成了数字电压表。选用ICL7106的一个好处是，它充分考虑到输出与数字显示板的连接，在片内已集成了七段译码电路和液晶动态驱动电路，所以不用附加电路，只需将各数码的字段及公共端相应联接即可。ICL7106及3位液晶数码显示器EDS801的引脚如图3-8所示。

调节RP分压比可调节灵敏度(调满)。两个CR脚是基准电容的外接引脚。AZ、BUF和INT分别是自动调零端、缓冲控制端和积分器输出端。

由于液晶的驱动要求是交流电压，所以小数点的驱动采用图3-9所示的异或门电路。异或门的一个脚为ICL7106输出的背板电极电压BP，此电压为一个方波电压。异或门的另一个脚为小数点的点亮逻辑DPL，当需要点亮小数点时，DPL为1，异或门的输出DP是背板电压的“非”逻辑，则DP与BP之间的电压为一交流方波电压，小数点被点亮。当不要小数点亮时，DPL为0，异或门的输出与背板电压相同，则DP与BP之间的电压为0，小数点不亮。

图3-9 液晶显示器的小数点驱动电路

结 论

人类已经进入了科学技术空前发展的信息社会。在当今高新技术迅速发展的信息时代，获取准确可靠的信息成为做好一切工作的前提。近20多年来传感器技术获得了长足的进步，在国民经济相关的各个领域中应用日益广泛，作为信息的采集和转换的重要部件，是测量和控制系统的首要环节，成为测试计量和工业自动化、智能化的关键技术。在世界范围内，一个国家的一项工程设计所用传感器的数量和水平直接标志着其技术的先进程度，因此传感器技术成为信息时代的焦点。

本文首先介绍了几种常见的温度传感器；接着介绍了具有代表性的NTC负温度系数热敏电阻,主要介绍了NTC热敏电阻的特点及特性，根据NTC热敏电阻电阻－温度的特性设计了控温电路并分析；本文还介绍了具有代表性的AD590集成温度传感器的原理分析和应用分析设计。

随着电子工业的迅速发展和国民生活水平的不断提高，人们对电子产品的需求越来越大，NTC热敏电阻有着巨大的开发潜力，我国又有着广阔的市场，在该领域也有较强的技术力量和生产能力，抓住产业结构调整的有利时机，发展NTC元件生产是大有可为的[21]。另外，由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，很适合用于测温和温度检测和控制领域，可见其前景也非常阳光。

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[23] 刘燕，兰志强，林欣悦等．AD590集成温度传感器的特性测量与应用

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致 谢

本论文是在导师夏立新老师的指导下完成的，*老师丰富的知识和严谨的态度极大的鼓舞了我，值得我去认真学习，感谢夏老师的帮助让我的毕业论文能够顺利完成。

我必须衷心感谢我的父母，谢谢您们在背后的默默付出和支持我，让我我能够在学校专心完成我的学业。

另外，我还要感谢***和***同学，感谢他们在电脑方面以及论文写作过程中的帮助。

温度传感器的原理研究及应用设计

摘 要

温度传感器是检测温度的器件，它是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。目前，温度传感器已被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等重要领域。因此，有关温度传感器的研究不仅具有重要的理论意义和科学价值而且具有广阔的应用前景。本文第一部分主要阐述了各种温度传感器的工作原理及其应用。第二部分先着重分析了热敏电阻中的负温度系数热敏电阻(NTC)的电阻—温度特性；然后对AD590的基本结构、主要性能以及基本工作原理进行了阐述，介绍了该器件在温度检测中的应用设计。AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。NTC热敏电阻作为一种灵敏度高和分辨率高、可靠性好、热响应特性好、体积小，适于批量生产的元件，多年来一直受到电子电器行业的欢迎。

关键词：温度传感器，热敏电阻，控温电路，温度测量电路

THE PRINCIPLES STUDY AND APPLICATION

DESIGN OF TEMPERATURE SENSOR

ABSTRACT

Temperature Sensor is the device of detecting the temperature, it is made of some metals, semiconductors and other materials related to the temperature．At present, the temperature sensor has been widely used in industrial and agricultural production, scientific research and other important areas of life．Therefore, the temperature sensor not only has important theoretical significance and scientific value and broad application prospects．This paper describes the first part of the major works of various temperature sensors and its application. The second part analyzes the thermal resistance of the first in the negative temperature coefficient thermistor(NTC) of resistance-temperature characteristics; then the basic structure of the AD590,the main performance ,and describes the basic working principle is introduced in the temperature of the device Detection of design．AD590 AD companies use the PN junction is forward current with temperature at both ends made of the current output-type temperature sensor．NTC thermistor as a high sensitivity and high resolution，reliability，and thermal response characteristics of a good， small size，suitable for mass production of components，has been welcomed by the electrical and electronic industries．

KEY WORDS: temperature sensor, thermistor, temperature control circuit, temperature measurement circuit

前 言 ..................................................................................................... 1

第一章 常见温度传感器 ...................................................................... 3

§1.1 铂电阻 ..................................................................................... 3

§1.2 PN结温度传感器 .................................................................... 4

§1.3 集成温度传感器 ..................................................................... 5

§1.3.1 电压型集成温度传感器(LM35) ..................................... 5

§1.3.2 电流型集成温度传感器(AD590) ................................... 6

§1.4 热敏电阻温度传感器 .............................................................. 8

第二章 NTC负温度系数热敏电阻的应用开发 .................................. 10

§2.1 NTC负温度系数热敏电阻R-T特性 .................................... 12

§2.2 NTC热敏电阻的电阻测量 .................................................... 13

§2.2.1 直流电桥法测量热敏电阻 ........................................... 14

§2.2.2 恒电流法测量热敏电阻 ............................................... 14

§2.3 NTC热敏电阻控温电路应用设计 ........................................ 15

第三章 AD590简介及应用电路分析.................................................. 19

§3.1 AD590简介 ........................................................................... 19

§3.2 AD590的特性测量 ................................................................ 19

§3.3 AD590应用电路分析设计 .................................................... 20

§3.3.1 AD590基本应用电路 .................................................... 21

§3.3.2 摄氏温度测量电路 ....................................................... 21

§3.3.3 热力学温度温差测量电路 ........................................... 22

§3.3.4 数字温度计 ................................................................... 23

结 论 ................................................................................................... 28

参考文献 ............................................................................................. 29

致 谢 ................................................................................................... 31

人类已经进入了科学技术空前发展的信息社会，科学研究和生产过程都要获取大量的信息。传感器作为感知、获取与检测信息的窗口，能够采集各种有用的信息并将其转换为容易传输和处理的信息，为计算机、智能机器人、自动化设备、自动控制装置充当“传感器官”。传感器在自动检测与控制系统中必不可少，而且科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖就越大[1]。温度传感器是传感器中的一种，在传感器中占据重要地位。目前，温度传感器已被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等重要领域。因此，有关温度传感器的研究不仅具有重要的理论意义和科学价值而且具有广阔的应用前景。

温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。温度传感器是检测温度的器件，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，其种类多，发展快。温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式。而非接触式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量物体的温度，可进行遥测，这是接触方式所做不到的[2]。

接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等，利用其产生的热电动势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度，被广泛用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工业测量、通信设备等。另外，还有一些新开发研制的传感器，例如，有利用半导体PN结电流－电压特性随温度变化的半导体集成传感器；有利用光纤传播特性随温度变化或半导体透光随温度变化的光纤传感器；有利用弹性表面波及振子的振荡频率随温度变化的传感器；有利用核四重共振的振荡频率随温度变化的NQR传感器。

非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度，有利用半导体吸收光而使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器。非接触传感器广泛用于接触温度传感器、辐射温度计、报警装置、来客告知器、火灾报警器、自动门、气体分析仪、分光光度计、资源探测等。

热敏电阻的基本电气特性是它们的电阻随其温度变化而改变。它们不产生信号，热敏电阻温度会随周围环境的温度或电流通过热敏电阻而导致的自

热而改变,从而阻值的大小也会发生变化。大多数应用，例如温度测量与控制或铜线圈补偿都要求热敏电阻中的功率维持在最小的状态下，以免引起自热；其它应用完全取决于自热效应，当周围环境温度保持不变时，热敏电阻的阻值很大程度上是热敏电阻的功率的函数，自热效应将其温度升高到高于外界环境的温度。

在这些工作条件下，温度可升高100℃～200℃，电阻可降至低电流条件下电阻值的千分之一，这种自热特性使各个领域都可使用热敏电阻。在自热状态下，热敏电阻对改变热敏电阻的热传导率的任何条件都是热敏感的[3]。如果排热速率可理想地固定不变，则热敏电阻对功率输入是敏感的，因而，热敏电阻适合于电压或功率电平控制场合。

在温度传感器中使用得比较普遍的元件，虽然有双金属片热电偶、热敏电阻器、铂电阻、感温铁氧体等，但是在汽车、家用电器等领域，使用得最多的，还是价格低廉、精度较高、可靠性好的NTC热敏电阻器。特别是在－50℃～300℃的温度范围内，在检测、控制温度方面使用得更多一些。在家用电器方面，如应用于电饭锅、干燥箱的温度传感器上；可作为电子礼品，如万年电子台历；在工业上，如应用于医药、化工生产设备中的温度传感器上；还可用于电池充电器等。

随着电子设备的集成度的提高，集成温度传感器也广泛应用起来。集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。这种传感器最大的优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出。目前，集成温度传感器已广泛用于－50℃～＋150℃温度范围内温度的检测、控制和补偿等。集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型两种。AD590是典型的电流输出型集成温度传感器。在集成温度传感器中由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，它应用相当广泛，常用于测温和温度检测和控制领域在工程上主要应用于测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度等。

总之，大家都已认识到温度传感器在整个科学技术及人类生活中的重要性。目前，全世界都越来越重视新型传感器的研究和开发，可以预测传感器技术必将获得迅速发展[4]。

第一章 常见温度传感器

温度是与人类生活息息相关的物理量，在工业生产自动化流程中，温度测量点要占全部测量点的一半左右。它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要，所以温度传感器应用相当广泛。温度传感器对温度敏感具有可重复性和规律性，是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。现在来介绍一些温度传感器的工作原理。

§1.1 铂电阻

导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器。能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：(1) 电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；(2) 电阻率高，热容量小，反应速度快；(3) 材料的复现性和工艺性好，价格低；(4) 在测量范围内物理和化学性质稳定。虽然铁、镍的温度系数和电阻率比铂、铜要高，但是由于存在着不易提纯和非线性严重的缺点，因而用得不多。目前，在工业中应用最广泛的材料是铂和铜[5]。

铂容易提纯，其物理、化学性能在高温和氧化介质中非常稳定。铂电阻的输入－输出特性接近线性，且测量精度高，所以它能用作工业测温元件，还能作为温度计作基准器。

铂电阻与温度之间的关系，在0℃～630.74℃范围内可用下式表示为

RTR01ATBT2 (1-1)

在-200℃～0℃的温度范围内为 

RTR01ATBT2CT3 (1-2)

在式(1-1)和(1-2)中，R0和RT分别为温度在100℃和T时铂电阻的电阻值，A、

B、C为温度系数，由实验确定，A3.90802103℃-1，B5.80195107℃-2，C4.273501012℃-4。由式(1-1)和式(1-2)可见，要确定电阻RT与温度T的关系，首先要确定R0的数值，R0值不同时，RT与T的关系不同。目前国内

统一设计的一般工业用标准铂电阻R0值有100和500两种，并将电阻值RT与温度T的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度表分别用Pt100和Pt500表示。

铂电阻在常用的热电阻中准确度最高，国际温标ITS-90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033℃～961.780℃标准温度计来使用。铂电阻广泛用于-200℃～850℃范围内的温度测量，工业中通常在600℃以下。

§1.2 PN结温度传感器

PN结温度传感器是利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。实验表明，在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度之间具有很好的线性关系。

根据PN结理论，对于理想二极管，只要正向电压UF大于几个kbT/e(kb为波尔兹曼常数，e为电子电荷)。其正向电流IF与正向电压UF和温度T之间的关系可表示为

UFUg

式(1-3)中，Ug

B和r为常数。

kbqrIFIn3InTT (1-3) 2BEg，Eg为材料在T=0K时的禁带宽度(以eV为单位)，e

图1-1 砷化镓(a)和硅(b)二极管正向电压随温度的变化

由半导体理论可知，对于实际二极管，只要它们工作的PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，而又未发生大注入效应的电压和温度范围内，其特性与上述理想二极管是相符合的[6]。实验表明，对于砷化镓、

锗和硅二极管，在一个相当宽的温度范围内，其正向电压与温度之间的关系与式(1-3)是一致的，如图1-1所示。

实验发现晶体管发射结上的正向电压随温度的上升而近似线性下降，这种特性与二极管十分相似，但晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性。二极管的温度特性只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流除扩散电流成分外，还包括空间电荷区中的复合电流和表面漏电流成分。这两种电流与温度的关系不同于扩散电流与温度的关系，因此，实际二极管的电压—温度特性是偏离理想情况的。

由于三极管在发射结正向偏置条件下，虽然发射结也包括上述三种电流成分，但是只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电极电流，而另外两种电流成分则作为基极电流漏掉，并不到达集电极。因此，晶体管的

所以表现出更好的电压－温ICUBE关系比管的IFUF关系更符合理想情况，

度线性关系。根据晶体管的有关理论可以证明，NPN晶体管的基极—发射极电压UBE与温度T和集电极电流Ic的函数关系式与二极管的UF与T和IF函数关系式(1-3)相同。因此，在集电极电流Ic恒定条件下，晶体管的基极—发射极电压UBE与温度T呈线性关系。但严格地说，这种线性关系是不完全的，因为关系式中存在非线性项。

§1.3 集成温度传感器

集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。这种传感器的优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出[7]。目前，集成温度传感器已广泛用于-50℃～+150℃温度范围内的温度检测、控制和补偿等。集成温度传感器按输出形式可分为电压型和电流型两种。

§1.3.1 电压型集成温度传感器

电压型集成温度传感器(LM35)，标准T0-92工业封装，其准确度一般为±0.5℃(有几种级别)。由于其输出为电压且线性极好，故只要配上电压源、数字式电压表就可以构成一个精密数字测温系统。内部的激光校准保证了极

高的准确度及一致性，且无须校准。输出电压的温度系数KV10.0mV利用下式可计算出被测温度t(℃)为 oC，

U0KVt10mVoCt

即

toCU0mV(1-4)

LM35温度传感器的电路符号见图1-2，V0为输出端。

图1-2 LM35温度传感器的电路符号

实验测量时只要直接测量其输出端电压U0，即可知待测量的温度。

§1.3.2 电流型集成温度传感器

电流型集成温度传感器AD590，其输出电流大小与温度成正比。它的线性度极好，AD590温度传感器的温度适用范围为-55℃～150℃，灵敏度为1AK。它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点。AD590是一个二端器件，电路符号如图1-3所示。

图1-3 AD590电路符号

AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗>10MΩ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。

AD590的工作电压为+4V～+30V，测温范围是-55℃～150℃。对应于热力学温度T，每变化1K，输出电流变化1A。其输出电流I(A)与热力学温度T(K)严格成正比。其电流灵敏度表达式为

I3kln8 (1-5) TeR

式(1-5)中k、e分别为波尔兹曼常数和电子电量，R是内部集成化电阻。将k/e=0．0862mV/K，R=538Ω代入(1-5)中得到

I=1.000A/K (1-6) T

在T=0(K)时其输出为273.15A(AD590有几种级别，一般准确度差异在±3A～5A)。因此，AD590的输出电流I的微安数就代表着被测温度的热力学温度值(K)，AD590的输出电流I与温度T的特性曲线如图1-4所示。

图1-4 AD590的电流-温度(I-T）特性曲线

其输出电流表达式为

IATB (1-7)

式(1-7)中A为灵敏度，B为0K时输出电流。

如需显示摄氏温标(℃)则要加温标转换电路，其关系式为

tT273.15 (1-8)

AD590温度传感器其准确度在整个测温范围内±0.5℃，线性极好。利用AD590的上述特性，在最简单的应用中，用一个电源，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温度的测量。

图1-5 实验测量电路

§1.4 热敏电阻温度传感器

半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻阻值随温度变化的特性制成的用来测量温度的温度敏感元件，按电阻阻值随温度升高而减小或增大，分为负温度系数(NTC)热敏电阻、正温度系数(PTC)和临界温度系数(CTC)热敏电阻[8]。在所有温敏元件中，热敏电阻占有极为重要的位置，占整个温敏元件问题的几乎40%。热敏电阻电阻率大，温度系数大，但其非线性大，置换性差，稳定性差，通常只适用于一般要求不高的温度测量。以上几种热敏电阻特性曲线见图1-6。

图1-6 三种热敏电阻特性曲线

在一定的温度范围内(

RTR0e11BTT0 (1-9)

T0K时的电阻值(K为热力学温度单位开)；R0是温度为TK，式(1-9)中RT、

B是热敏电阻材料常数，一般情况下B为2000K～6000K[9]。

对一定的热敏电阻而言，B为常数，对上式两边取对数，则有

11lnRTBlnR0 (1-10) TT0

由(1-10)式可见，lnRT与1/T成线性关系，作lnRT～(1/T)曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数B。

热敏电阻的主要特点[10]是：(1) 灵敏度较高；(2) 工作温度范围宽；(3) 体积小；(4) 使用方便，电阻值可在0.1k～100k间任意选择；(5) 易加工成复杂的形状，可大批量生产；(6) 稳定性好、过载能力强。

第二章 NTC负温度系数热敏电阻的应用开发

NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的[11]。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因此在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料，其主要的特点是在工作温度范围内电阻阻值随温度的升高而降低。当温度较低时，这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目一般比较少，所以此时其电阻阻值比较高；但随着温度的升高，载流子数目越来越多，所以其电阻阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的温度变化范围在100Ω～1MΩ，温度系数一般为－2%～6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于家用电器等产品中，以达到温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等作用。

NTC负温度系数热敏电阻专业术语[12]

零功率电阻值RT(Ω)：RT指在规定温度T时，采用引起电阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计的测量功率测得的电阻值。用于测量的NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，其电阻值和温度变化的关系式为

11RTRNexpB() (2-1) TTN

式(2-1)中各字母意义解释如下：

RT：在温度T(K)时的NTC热敏电阻阻值。

RN：在额定温度TNK时的NTC热敏电阻阻值。

T：规定热力学温度(K)。

B：NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。

exp：以自然数e为底的指数(e=2.71828 …)。

关系式(2-1)是经验公式，只在额定温度TN或额定电阻阻值RN的有限范围内才具有一定的精确度，因为材料常数B本身也是温度T的函数。

额定零功率电阻值R25(Ω)：根据国标规定，额定零功率电阻值是NTC热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值R25，这个电阻值就是NTC热敏电阻的标称电阻值。通常所说NTC热敏电阻多少阻值，亦指该值。

材料常数(热敏指数)B值(K)：B值被定义为

BTTR12lnT1 (2-2) T2T1RT2

式(2-2)中RT1表示温度T1K时的零功率电阻值；RT2表示温度T2K时的零功率电阻值；T1、T2表示两个被指定的温度(K)。

对于常用的NTC热敏电阻，B值范围一般在2000K～6000K之间。 零功率电阻温度系数(T)：在规定温度下，NTC热敏电阻零功率电阻值的相对变化与引起该变化的温度变化值之比值。

T1dRTB2 (2-3) RTdTT

式(2-3)中各字母意义解释如下：

T：温度T(K)时的零功率电阻温度系数。

RT：温度T(K)时的零功率电阻值。

T：温度(K)。

B：材料常数。

若B =4000K，T=323.15K(50℃)，则=-3.8%/℃。可见，是表征热敏电阻材料性能的重要参数。

耗散系数()：在规定环境温度下，NTC热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。

P (2-4) T

式(2-4)中表示NTC热敏电阻耗散系数，(mW/K)；P表示NTC热敏电阻消耗的功率(mW)；T表示NTC热敏电阻消耗功率P时，电阻体相应的温度变化(K)。

热时间常数()：在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始末两个温度差的63.2%时所需的时间，热时间常数与NTC热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。

C

式(2-5)中各字母意义解释如下： (2-5)

：热时间常数(s)。

C：NTC热敏电阻的热容量。

：NTC热敏电阻的耗散系数。

额定功率Pn：在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。

最高工作温度Tmax：在规定的技术条件下，热敏电阻器能长期连续工作所允许的最高温度。即

TmaxT0式(2-6)中T0表示环境温度。 Pn (2-6) 8

测量功率Pm：热敏电阻在规定的环境温度下，阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。

一般要求阻值变化大于0.1%，则这时的测量功率Pm为

Pm8 (2-7) 1000a

电阻温度特性：NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表示

RT (2-8) 式(2-8)中各字母意义解释如下： BT

RT：温度为T时的零功率电阻值。

A：与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。

B：B值。

T：温度(K)。

更精确的表达式为

RTAexp(BCD (2-9) )TT2T3

式(2-9)中：RT表示热敏电阻器在温度T时的零功率电阻值；T为绝对温度值(K)；A、B、C、D：特定的常数。

§2.1 NTC负温度系数热敏电阻R-T特性

在一定范围内，NTC热敏电阻的阻值随温度升高而呈非线性下降，如图2-1、图2-2所示。

图2-1 B值相同， 阻值不同的R-T特性曲线示意图

图2-2 相同阻值，不同B值的NTC热敏电阻R-T特性曲线示意图

§2.2 NTC热敏电阻的电阻测量

§2.2.1 直流电桥法测量热敏电阻

图2-3 直流平衡电桥(惠斯通电桥)的电路

把四个电阻R1, R2, R3, Rt连成一个四边形回路ABCD，每条边称作电桥的一个“桥臂”在四边形的一组对角接点A、C之间连入直流电源E，在另一组对角接点B, D之间连入平衡指示仪表，B, D两点的对角线形成一条“桥路”，它的作用是将桥路两个端点电位进行比较，当B, D两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示器示值为零，电桥达到平衡[13]。电路图如图2-3所示。若指示器指零，有UAB=UAD，UBC=UDC，电桥平衡时，电流Ig=0，流过电阻R1、R3的电流相等，即I1=I3，同理I2=IRt，因此，得出下式

R1R3RRt2R3 (2-10) R2RtR1

若R1R2，则有：RtR3。

§2.2.2 恒电流法测量热敏电阻

图2-4 恒电流法测量热敏电阻电路

恒电流法测量热敏电阻的电路图如图2-4所示，电源采用恒流源，R1为已知数值的固定电阻，Rt为热敏电阻。UR1为R1上的电压，URt为Rt

上的电

压，UR1用于监测电路的电流，当电路电流恒定时则只要测出热电阻两端电压

URt，即可知道被测热电阻的阻值。当电路电流为I0，温度为t时，热敏电阻

Rt为

RtURtRU1Rt (2-11) IOUR1

§2.3 NTC热敏电阻控温电路应用设计

图2-5 控温实验电路

实验电路分析如下：

1、实验电路如图2-5所示，它是有具负温度系数电阻特性的热敏电阻(NTC元件)RT为一臂组成测温电桥，其输出经测量放大器放大后由滞回比较器输出“加热”与“停止”信号，经复合管放大后控制加热器“加热”与“停止”。RW1可决定测温电桥的平衡。改变滞回比较器的比较电压UREF即改变控温的范围，而控温的精度则由滞回比较器的滞环宽度确定。

2、控制温度的标定

首先确定控制温度的范围。设控温范围为T1℃～T2℃，标定时将NTC元件RT置于T1℃的恒温槽中，例如置于放有冰水混合物的恒温槽中，调整RW1使UC＝UD，此时的RW位置标为0℃，同理将NTC元件RT置于盛有沸水的恒温槽中，调整RW1使UC＝UD，可标定温度100℃的位置。根据控温精度要求，可在T1℃～T2℃之间作若干点，在电位器RW1上标注相应的温度刻

度即可。若RW1调不到所要求值，则应改变R3或RW1的阻值。控温电路工作时，只要将RW1对准所要求温度，即可实现恒温控制。

3、实验电路分析

(1) 电桥电路

桥臂R1～R2的阻值是固定且相等，桥臂RW1阻值可变，桥臂Rt是具有负温度系数的NTC热敏电阻，将Rt置于任一温度的恒温槽中，调节RW1使UC＝UD，从而达到电桥平衡。

(2) 仪表放大器

电路中A1、A2、A3三个集成运放都接成比例运算电路的形式。电路包含两个放大级，A1、A2组成第一级，二者均为同相输入方式，因而输入电阻很高。由于电路结构对称，因此漂移可以互相抵消。第二级的A3为反相输入方式，将双端输入转换为单端输出。当加上差模输入电压uIuAB时，A1与A2的输出电压大小相等，极性相反，且R4=R6，此时可认为电阻R5的中点电位保持不变，即在R5/2处相当于交流接地，则运放的工作情况如图2-6所示。

图2-6 仪表放大器原理图

由图可得

2RRuO114uI114uI1 (2-12) R5R5/2

同理

2RRuO216uI214uI2 (2-13) R5R5/2

则

2R2RuO1uO214uI1uI214uI (2-14) R5R5

A3为反相输入比例运算电路，已知R7=R9，R8=R10，则

uOuCR8uO1uO2 (2-15) R7

因此，该仪表放大器总的输出输入关系为

uOuC

(3) 滞回比较器 R82R41u (2-16) R7R5I

A4为滞回比较器，又称为施密特触发器，其电路图如图2-7所示。输入

电压uIuC经电阻R11加在集成运放的反相输入端，参考电压UREF接在同相输入端，然后再从输出端通过电阻R13引回同相输入端。电阻R14和背靠背稳压管VDZ的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在UZ。当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等，即uNuP时，输出端的状态将发生跳变。其中uNuIuC，uP则由参考电压UREF及输出电压uO二者共同决定，而uO有两种可能的状态：UZ或UZ。由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平UT和UT，其传输特性呈滞回状，如图2-8所示。

图2-7 滞回比较器电路图

图2-8 传输特性

现在来估算滞回比较器两个门限电平的值。利用叠加原理[14]可以求得同相输入端的电位为

uP

R13RS

UREFu (2-17)

RSR13RSR13O

若原来u0UZ，当uI逐渐增大时，使uO从UZ跳变为UZ所需的阈值电压用UT表示，则

uT

R13RS

UREFuZ (2-18)

RSR13RSR13

若原来的u0UZ，当uI逐渐减小，使uO从UZ跳变为UZ所需的阈值电压用UT表示，则

uT

R13RS

UREFuZ (2-19)

RSR13RSR13

则滞回曲线的门限宽度UT表示，由以上两式可求得

UTUTUT

2RS

UZ (2-20)

RSR13

首先确定参考电压UREF的值。调节RW2使UREF=4V，当调节RW1由最大值逐渐减小到灯亮和灯息临界状态时为T1℃，根据滞回比较器的传输特性，此时UC=UD，100Ω/2W电阻的温度就是当前室温，不用测量温度可用手感觉到。调节到T2℃情况下，经过仪表放大器后输出的|UC|很大，根据滞回比较器的传输特性，UE为正稳压值，复合管起放大作用，电压对100Ω/2W电阻开始加热，灯亮。此时RT随电阻温度的增加而阻值减小，UA逐渐逼近UB值，|UC|逐渐减小到UC

第三章 AD590简介及应用电路分析

§3.1 AD590简介

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：

1、流过器件的电流(A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即

Ir

（1A/K） (3-1) T

式(3-1)中：Ir表示流过器件(AD590)的电流，单位为A；T表示热力学温度，单位为K。

2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。 电源电压可在4V～6V范围变化，电流Ir变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4、输出电阻为710MΩ。

5、精度高。AD590有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃[15]。

§3.2 AD590的特性测量

集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55℃～+150℃之间的温度测量。温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时，其基极发射极电压与温度成线性关系，为克服温敏晶体管Vb电压产生时的离散性，采用了特殊的差分电路。集成温度传感器具有电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定的温度T时相当于一个恒流源[16]。因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有很好的线性特性。本实验采用国产的AD590，它只需要一种电(4.5V～24V)即可实现温度到电流的线性变换，然

后在终端使用一只取样电阻，即可实现电流到电压的转换。它使用方便，并且电流型比电压型的测量精度高。 一、测量内容

测量AD590在电源电压稳定时，输出电流与温度的关系及不同温度下的伏安特性，采用图3-1所示电路[22]。

图3-1 AD590的特性测量电路

实验中为了测量不同温度下的AD590的特性，必须将AD590用铝外壳保护且引线用绝缘材料封闭，置于恒温水浴中[23]。伏特表测量电阻两端的电压。由于AD590近似于高精度电流源，所以要求伏特表有足够的测量精度，本实验采用了三位半数字电压表测量电压值。对于电阻R，一方面要有足够的有效数字，另一方面其压降又要使伏特表的读数有足够的有效数字。本实验采用了0.1级电阻箱。数值为200.0Ω，由I=V/R，即得AD590上的电流值。以温度作为自变量，电流I为因变量，方程为

IT (3-2)

式(3-2)中：T为温度；,为待定参数。

§3.3 AD590应用电路分析设计

§3.3.1 AD590基本应用电路

图3-2 AD590的封装形式与基本应用电路图

图3-2(a)是AD590的封装形式，图3-2(b)是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压V随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0273.2mV；或在室温下(25℃条件下调整电位器，使V0273.225298.2mV)。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度[17]。

§3.3.2 摄氏温度测量电路

AD590是电流输出型集成温度传感器。在设计测量温度电路时，必须将电流转换成为电压。温度每升高1K，电流就增加1A。摄氏温度测量电路的设计必须完成两部分任务[18]：一是将AD590输出的电流转换为电压信号,也就是电流转换为电压电路。二是将热力学温度转换成摄氏温度，即绝对温度转换为摄氏温度电路。摄氏温度测量电路工作原理见图3-3。

根据AD590的特性，温度每升高1K热力学温度，电流增加1A，当负载电阻为10KΩ，这个电阻上的压降为10mV。其中AD590、电位器RP1和R1、运算放大器A1组成电流电压转换电路，A1连接为电压射随器形式，主要为增加信号的输入电阻。而运算放大器A2为绝对温度转换为摄氏温度的核

心器件，其转换原理为摄氏零度对应热力学273K，因此热力学转换为摄氏温度必须设置基准电压，数值为摄氏零度对应的电压值2.73V。实现方法是给A2的同名端输入一个恒定的电压，恒定电压由限流电阻R2和稳压管提供，恒定电压选择稳压管型号为CW385，数值为1.235V，由A2将此电压放大为2.73V，RP2为调整A2运算放大器增益的大小。通过转换电路，这样在A1、A2输出端的电压即为与摄氏温度成正比的电压数值，即每摄氏度对应100mV的电压数值[23]。

图3-3 摄氏温度测量电路

§3.3.3 热力学温度温差测量电路

在工程上，有时候需要测量两点或多点的温度之差。下面以两点温度之差来说明AD590在测量温差电路中的应用。电路由二大部分组成[19]，一是温度的变化形成的电流转换为电压，电路主要由AD590、R1、RP1以及AD590、R2、RP2组成。二是热力学温度比较电路，电路组成主要由两个运算放大器连接成射随器，A1、A2分别将两个集成温度传感器的热力学温度转换成电压数值，然后进行比较，热力学温度差值为10mVK。具体电路如图3-4所示。

图3-4 热力学温度温差测量电路

§3.3.4 数字温度计

数字温度计是由温度传感器、调理电路、A/D转换器及数显等电路模块构成的测量系统，如图3-5所示。

数字电压表

图3-5 测量系统

1、信号调理电路

信号调理电路如图3-6所示，采样电阻R1上的电压

U1IR1R1atbAtB (3-3)

此信号送给放大器进行放大处理，放大器的输出电压为

UO

RF2R

(U1UR)F2AtBUR (3-4) R7R7

R2、R3构成的分压环节用来产生UR，就是为了抵消输出电压中的常数

项。调节R3，改变UR，使

BUR0 (3-5)

则

UO

RF2

AtKt (3-6) R7

输出电压与摄氏温标成正比。我们把调节R3称为调零。调节RF可以改变放大器的放大倍数(K1

RF[20]

)，从而改变整个测量系统的灵敏度。我们把R4

调节RF称为灵敏度调节。

电容CF在电路中构成低通滤波器，它将电路中可能出现的交流干扰滤除，对直流信号不起作用。

图3-6 信号调理电路

2、双积分型A/D转换器

选用双积分型ICL7106芯片作为3位A/D转换器。双积分型A/D转换电路原理如图3-7所示，它由积分器、零值比较器、时钟脉冲控制门，计数器及控制开关S等所组成。其工作过程分成两个阶段： (1) 采样阶段

控制电路将控制开关S与模拟输入电压Ui接通，积分器对Ui进行积分，同时使时钟脉冲计数门打开，计数器计数。当Ui为直流电压或缓慢变化的电压时，积分器将输出一斜变电压(见图3-7(b))。经过一个固定时间T1后，计数器达到满限量N1值，计数器复零，并送出一个溢出脉冲，该溢出脉冲使逻辑控制电路发出信号，将开关S接向与Uib极性相反的参考电压UR，采样阶段结束。此阶段的特点是采样时间T1是固定的，积分器最后的输出电压决定于模拟输入电压Ui的平均值Uiav(采样阶段又称定时积分阶段)。

U0X

T11T1

UdtUiav (3-7) i0RCRC

t

t

(b)

t

(a)

(a)电路原理框图 (b)波形图

图3-7 双积分型

A/D转换

(2) 测量阶段

当开关S接向与Ui极性相反的参考电压后(图3-7(b)中Ui为负，则接于

UR)，积分器开始反方向积分，即积分器输出电压U0值向零电平方向斜变。与此同时，计数器又从零开始计数，当积分器输出电压达到零时，零位比较器动作，发出关门信号，计数器停止计数，并发出记忆指令，将此阶段中计得的数字N2送存储器并输出。

此阶段的特点是被积分的电压是固定的参考电压UR，因而积分器输出电压的斜率固定，而最终计得的数N2所对应的积分时间T2则决定于UOX之值。

0UOX

T11T21T2

UdtUURdt (3-8) Ria00RCRCRC

T1T

Uia2UR (3-9) RCRC

T2

T1TT

Uia N2UiavKUiav (3-10) URTCTCUR

式中TC为时钟脉冲周期。

这个阶段又称为定值积分阶段，定值积分结束时得到的数字N2，就是转换结果。转换过程的波形示于图3-7(b)。由于在转换过程中，积分器输出是两个斜变电压，故称双斜式积分型A/D转换器。双积分型的A/D转换器与逐次比较型A/D转换器相比较，其转换速度较慢，但它的抗干扰能力及转换

精度较高，所以常用于对转换精度要求较高，对采样速度要求不高的一些测量仪表中(如数字电压表、数字万用表、数字温度计等)。

图3-8 ICL7106及EDS801的引脚

3、数字电压表

将A/D转换器的输出数字显示就构成了数字电压表。选用ICL7106的一个好处是，它充分考虑到输出与数字显示板的连接，在片内已集成了七段译码电路和液晶动态驱动电路，所以不用附加电路，只需将各数码的字段及公共端相应联接即可。ICL7106及3位液晶数码显示器EDS801的引脚如图3-8所示。

调节RP分压比可调节灵敏度(调满)。两个CR脚是基准电容的外接引脚。AZ、BUF和INT分别是自动调零端、缓冲控制端和积分器输出端。

由于液晶的驱动要求是交流电压，所以小数点的驱动采用图3-9所示的异或门电路。异或门的一个脚为ICL7106输出的背板电极电压BP，此电压为一个方波电压。异或门的另一个脚为小数点的点亮逻辑DPL，当需要点亮小数点时，DPL为1，异或门的输出DP是背板电压的“非”逻辑，则DP与BP之间的电压为一交流方波电压，小数点被点亮。当不要小数点亮时，DPL为0，异或门的输出与背板电压相同，则DP与BP之间的电压为0，小数点不亮。

图3-9 液晶显示器的小数点驱动电路

结 论

人类已经进入了科学技术空前发展的信息社会。在当今高新技术迅速发展的信息时代，获取准确可靠的信息成为做好一切工作的前提。近20多年来传感器技术获得了长足的进步，在国民经济相关的各个领域中应用日益广泛，作为信息的采集和转换的重要部件，是测量和控制系统的首要环节，成为测试计量和工业自动化、智能化的关键技术。在世界范围内，一个国家的一项工程设计所用传感器的数量和水平直接标志着其技术的先进程度，因此传感器技术成为信息时代的焦点。

本文首先介绍了几种常见的温度传感器；接着介绍了具有代表性的NTC负温度系数热敏电阻,主要介绍了NTC热敏电阻的特点及特性，根据NTC热敏电阻电阻－温度的特性设计了控温电路并分析；本文还介绍了具有代表性的AD590集成温度传感器的原理分析和应用分析设计。

随着电子工业的迅速发展和国民生活水平的不断提高，人们对电子产品的需求越来越大，NTC热敏电阻有着巨大的开发潜力，我国又有着广阔的市场，在该领域也有较强的技术力量和生产能力，抓住产业结构调整的有利时机，发展NTC元件生产是大有可为的[21]。另外，由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，很适合用于测温和温度检测和控制领域，可见其前景也非常阳光。

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致 谢

本论文是在导师夏立新老师的指导下完成的，*老师丰富的知识和严谨的态度极大的鼓舞了我，值得我去认真学习，感谢夏老师的帮助让我的毕业论文能够顺利完成。

我必须衷心感谢我的父母，谢谢您们在背后的默默付出和支持我，让我我能够在学校专心完成我的学业。

另外，我还要感谢***和***同学，感谢他们在电脑方面以及论文写作过程中的帮助。