电子测温计的现状和发展[文献综述]

文献综述

电子信息工程

电子测温计的现状和发展

摘要：通过本文介绍，让我们了解温度测量技术的发展现状以及测温技术的发展缺陷和未来展望。掌握测温计的几种方案。

关键词：温度计；传感器 DS18B20

1、引言

“工欲善其事，必先利其器”，这是中国的一句古话，人们早就知道工具的重要性。随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对测量仪器的作用认识愈加深入。作为工业自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。而温度作为一个重要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温度测量的要求越来越高，而且测量的范围也越来越广，对温度的检测技术的要求也越来越高。因此，温度测量和温度测量技术的研究也是一个重要的研究课题。

而随着微电子和微型计算机的迅猛发展，微机测量和控制技术以其逻辑简单、控制灵活、使用方便及性能价格比高的优点得到了迅猛发展和广泛应用。它不仅在航空、航天、铁路交通、冶金、电力、电讯、石油化工、制造业等领域获得了广泛应用，而且其技术在日常生活中诸如微波炉、电冰箱、电视机、电动玩具，智能空调机等高科技产品也具有广阔的应用前景。尤其是许多智能仪表和测控系统中电脑技术的引入，使得传统仪器，仪表设备发生了根本变化，为工业生产的自动化，智能化奠定了坚实的技术基础。

2、温测测量技术的发展现状

随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断地进步。目前的温度检测使用的温度计种类繁多，应用范围也较广泛。温度测量包括以下方法[1,2,3]：

（1）利用物体热胀冷缩原理制成的温度计

利用此原理制成的温度计大致分成三大类：玻璃温度计、双金属温度计、压力式温度计。（2）利用热电效应技术制成的温度检测元件

利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件之一。由于其具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯

性小等特点，因此广泛作为温度传感器的敏感元件。

（3）利用热阻效应技术制成的温度计

用此技术制成的温度计大致可分成以下几种：电阻测温元件、导体测温元件、陶瓷热敏元件。

（4）利用热辐射原理制成的高温计

热辐射高温计通常分为两种：一种是单色辐射高温计，一般称光学高温计；另一种是全辐射高温计，其工作原理是物体吸收热辐射后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。

（5）其他新型温度测量技术[8]

目前，在高科技领域，国内外专家都在有针对性的竞相开发各种新型温度传感器及特殊测量环境的测温技术。如：由点到线、由线到面温度分布的测温技术；由表面到内部、深部的测温技术等。

①多芯热电偶。传统的温度测量可称为对某一“点”的温度测量。为了了解整个炉内温度分布是十分必要的，所以采用分布式测量炉内环境温度。

②光纤式温度分布测量装置。光纤式温度分布测量装置是用一只传感器就能测出线状温度分布的一种新型传感器件。

③用辐射温度计或热像仪测量表面温度分布。对于被测表面的温度测量与控制，可以选用热像仪或辐射温度计测量。

④用长热电偶测量表面温度分布。

⑤用耐热数据记录仪与短热电偶相结合测量表面温度分布。

3、国内外测温技术存在的问题及发展动向

随着工业生产效率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，因而对温度检测技术的要求也愈来愈高。现行的温度检测技术普遍存在以下问题：检测范围小，精度不够高，无法适应大范围高精度的温度测量。自动化程度低，自动控制能力较弱等。因此，现在国内外的测温技术发展动向如下[4,5,6,7]：

（1）扩展检测范围

现在工业上通用的温度检测范围为-200~3000℃，而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切，如10K以下的温度检测是当前重点研究课题。（2）扩大测温对象

温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。

（3）发展新型产品

利用以前的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。

（4）适应特殊环境下的测温

对许多场合中的温度检测器有特殊要求，如防硫、防爆、耐磨等性能要求；又如移动物体和高速旋转物体的测温、钢水的连续测温、火焰温度检测等。

（5）加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。

如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器，厚膜、薄膜铂电阻温度检测器，硅单晶热敏电阻温度检测器等。

（6）显示数字化

温度仪表向数字化方向发展。其最大优点是直观、无读数误差、分辨率高、测量误差小，因而有广阔的销售市场。

（7）测控自动化

应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能，又要具有判断和指令等多功能，采用微机向智能化方向发展。向机电一体化方向发展。

4、温度传感器方案选择

随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，温度传感器得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的温度传感器系列。这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/O引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。为了实现上述的功能，主要有两种比较流行的方法。

方案一：采用热电偶，热电偶由两个焊接在一起的异金属导线(以形成两个结点)所组成。结点之间的温差会在两根导线之间产生热电电位(即电压)。通过将参考结点保持在已知温度

上并测量该电压（或电流），进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。热电偶的优点是工作温度范围非常宽，而且体积极小。不过，它们也存在着输出电压小、容易遭受来自导线环路的噪声影响以及漂移较高的缺陷。

方案二：采用单线数字温度传感器DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能，抗干扰能力强、易配微处理器的特点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号进行处理，而且每片DS18B20都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以便在构成大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18B20芯片。从DS18B20读出或写入信息仅需一根端口线，其读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接DS18B20供电，而无需额外电源。DS18B20能提供9位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统。

比较以上两种方案，很容易看出，方案二电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。

5、参考文献

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