前言
溫度傳感器，使用範圍廣，數量多，居各種傳感器之首。溫度傳感器的發展大致經歷了以下3個階段：
1.傳統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換。2.模擬集成溫度傳感器/控制器。
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字式、集成化向智能化及網絡化的方向發展。
溫度傳感器的分類
溫度傳感器按傳感器與被測介質的接觸方式可分為兩大類：壹類是接觸式溫度傳感器，壹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，通過熱傳導及對流原理達到熱平衡，這是的示值即為被測對象的溫度。這種測溫方法精度比較高，並可測量物體內部的溫度分布。但對於運動的、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。此種測穩方法的主要特點是可測量運動狀態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，但受環境的影響比較大。
溫度傳感器的發展
1.傳統的分立式溫度傳感器——熱電偶傳感器
熱電偶傳感器是工業測量中應用最廣泛的壹種溫度傳感器，它與被測對象直接接觸，不受中間介質的影響，具有較高的精度；測量範圍廣，可從-50~1600℃進行連續測量,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
集成傳感器是采用矽半導體集成工藝制成的，因此亦稱矽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壹個芯片上、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壹（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應速度快、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。
2．1光纖傳感器
光纖式測溫原理
光纖測溫技術可分為兩類:壹是利用輻射式測量原理,光纖作為傳輸光通量的導體,配合光敏元件構成結構型傳感器;二是光纖本身就是感溫部件同時又是傳輸光通量的功能型傳感器。光纖撓性好、透光譜段寬、傳輸損耗低,無論是就地使用或遠傳均十分方便而且光纖直徑小,可以單根、成束、Y型或陣列方式使用,結構布置簡單且體積小。因此,作為溫度計,適用的檢測對象幾乎無所不包,可用於其他溫度計難以應用的特殊場合,如密封、高電壓、強磁場、核輻射、嚴格防爆、防水、防腐、特小空間或特小工件等等。目前,光纖測溫技術主要有全輻射測溫法、單輻射測溫法、雙波長測溫法及多波長測溫等
2.1.1 全輻射測溫法
全輻射測溫法是測量全波段的輻射能量,由普朗克定律:
測量中由於周圍背景的輻射、測試距離、介質的吸收、發射及透過率等的變化都會嚴重影響準確度。同時輻射率也很難預知。但因該高溫計的結構簡單,使用操作方便,而且自動測量,測溫範圍寬,故在工業中壹般作為固定目標的監控溫度裝置。該類光纖溫度計測量範圍壹般在600～3000℃,最大誤差為16℃。
2.1.2 單輻射測溫法
由黑體輻射定律可知,物體在某溫度下的單色輻射度是溫度的單值函數,而且單色輻射度的增長速度較溫度升高快得多,可以通過對於單輻射亮度的測量獲得溫度信息。在常用溫度與波長範圍內,單色輻射亮度用維恩公式表示:
2.1.3 雙波長測溫法
雙波長測溫法是利用不同工作波長的兩路信號比值與溫度的單值關系確定物體溫度。兩路信號的比值由下式給出:
際應用時,測得R(T)後,通過查表獲知溫度T。同時,恰當地選擇λ1和λ2,使被測物體在這兩特定波段內,ε(λ1,T)與ε(λ2,T)近似相等,就可得到與輻射率無關的目標真實溫度。這種方法響應快,不受電磁感應影響,抗幹擾能力強。特別在有灰塵,煙霧等惡劣環境下,對目標不充滿視場的運動或振動物體測溫,優越性顯著。但是,由於它假設兩波段的發射率相等,這只有灰體才滿足,因此在實際應用中受到了限制。該類儀器測溫範圍壹般在600～3000℃,準確度可達2℃。
2.1.4 多波長輻射測溫法
多波長輻射測溫法是利用目標的多光譜輻射測量信息,經過數據處理得到真溫和材料光譜發射率。考慮到多波長高溫計有n個通道,其中第i個通道的輸出信號Si可表示為:
將式(9)～(13)中的任何壹式與式(8)聯合,便可通過擬合或解方程的方法求得溫度T和光譜發射率。Coates[8,9]在1988年討論了式(9)、(10)假設下多波長高溫計數據擬合方法和精度問題。1991年Mansoor[10]等總結了多波長高溫計數據擬合方法和精度問題。 該方法有很高的精度,目前歐***體及美國聯合課題組的Hiernaut等人已研究出亞毫米級的6波長高溫計(圖4),用於2000～5000K真溫的測量[11]。哈爾濱工業大學研制成了棱鏡分光的35波長高溫計,並用於燒蝕材料的真溫測量。多波長高溫計在輻射真溫測量中已顯出很大潛力,在高溫,甚高溫,特別是瞬變高溫對象的真溫測量方面,多波長高溫計量是很有前途的儀器。該類儀器測溫範圍廣,可用於600～5000℃溫度區真溫的測量,準確度可達±1%。
2.1.5 結 論
光纖技術的發展,為非接觸式測溫在生產中的應用提供了非常有利的條件。光纖測溫技術解決了許多熱電偶和常規紅外測溫儀無法解決的問題。而在高溫領域,光纖測溫技術越來越顯示出強大的生命力。全輻射測溫法是測量全波段的輻射能量而得到溫度,周圍背景的輻射、介質吸收率的變化和輻射率εT的預測都會給測量帶來困難,因此難於實現較高的精度。單輻射測溫法所選波段越窄越好,可是帶寬過窄會使探測器接收的能量變得太小,從而影響其測量準確度。多波長輻射測溫法是壹種很精確的方法,但工藝比較復雜,且造價高,推廣應用有壹定困難。雙波長測溫法采用波長窄帶比較技術,克服了上述方法的諸多不足,在非常惡劣的條件下,如有煙霧、灰塵、蒸汽和顆粒的環境中,目標表面發射率變化的條件下,仍可獲得較高的精度
2.2半導體吸收式光纖溫度傳感器是壹種傳光型光纖溫度傳感器。所謂傳光型光纖溫度傳感器是指在光纖傳感系統中，光纖僅作為光波的傳輸通路，而利用其它如光學式或機械式的敏感元件來感受被測溫度的變化。這種類型主要使用數值孔徑和芯徑大的階躍型多模光纖。由於它利用光纖來傳輸信號，因此它也具有光纖傳感器的電絕緣、抗電磁幹擾和安全防爆等優點，適用於傳統傳感器所不能勝任的測量場所。在這類傳感器中，半導體吸收式光纖溫度傳感器是研究得比較深入的壹種。
半導體吸收式光纖溫度傳感器由壹個半導體吸收器、光纖、光發射器和包括光探測器的信號處理系統等組成。它體積小，靈敏度高，工作可靠，容易制作，而且沒有雜散光損耗。因此應用於象高壓電力裝置中的溫度測量等壹些特別場合中，是十分有價值的。
B 半導體吸收式光纖溫度傳感器的測溫原理
半導體吸收式光纖溫度傳感器是利用了半導體材料的吸收光譜隨溫度變化的特性實現的。根據 的研究，在 20~972K 溫度範圍內，半導體的禁帶寬度能量Eg 與
溫度T 的關系為
"
3.智能溫度傳感器
智能溫度傳感器(亦稱數字溫度傳感器）是在20世紀90年代中期問世的。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術（ATE_）的結晶。目前，國際上已開發出多種智能溫度傳感器系列產品。智能溫度傳感器內部包含溫度傳感器、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據及相關的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU），並且可通過軟件來實現測試功能，即智能化取決於軟件的開發水平。
3.1數字溫度傳感器。
隨著科學技術的不斷進步與發展，溫度傳感器的種類日益繁多，數字溫度傳感器更因適用於各種微處理器接口組成的自動溫度控制系統具有可以克服模擬傳感器與微處理器接口時需要信號調理電路和A/D轉換器的弊端等優點，被廣泛應用於工業控制、電子測溫計、醫療儀器等各種溫度控制系統中。其中，比較有代表性的數字溫度傳感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。
壹、DS1722的工作原理
1 、DS1722的主要特點
DS1722是壹種低價位、低功耗的三總線式數字溫度傳感器，其主要特點如表1所示。
2、DS1722的內部結構
數字溫度傳感器DS1722有8管腳m-SOP封裝和8管腳SOIC封裝兩種，其引腳排列如圖1所示。它由四個主要部分組成：精密溫度傳感器、模數轉換器、SPI/三線接口電子器件和數據寄存器，其內部結構如圖2所示。
開始供電時，DS1722處於能量關閉狀態，供電之後用戶通過改變寄存器分辨率使其處於連續轉換溫度模式或者單壹轉換模式。在連續轉換模式下，DS1722連續轉換溫度並將結果存於溫度寄存器中，讀溫度寄存器中的內容不影響其溫度轉換；在單壹轉換模式，DS1722執行壹次溫度轉換，結果存於溫度寄存器中，然後回到關閉模式，這種轉換模式適用於對溫度敏感的應用場合。在應用中，用戶可以通過程序設置分辨率寄存器來實現不同的溫度分辨率，其分辨率有8位、9位、10位、11位或12位五種，對應溫度分辨率分別為1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃，溫度轉換結果的默認分辨率為9位。DS1722有摩托羅拉串行接口和標準三線接口兩種通信接口，用戶可以通過SERMODE管腳選擇通信標準。
3、DS1722溫度操作方法
傳感器DS1722將溫度轉換成數字量後以二進制的補碼格式存儲於溫度寄存器中，通過SPI或者三線接口，溫度寄存器中地址01H和02H中的數據可以被讀出。輸出數據的地址如表2所示，輸出數據的二進制形式與十六進制形式的精確關系如表3所示。在表3中，假定DS1722 配置為12位分辨率。數據通過數字接口連續傳送，MSB（最高有效位）首先通過SPI傳輸，LSB（最低有效位）首先通過三線傳輸。
4、DS1722的工作程序
DS1722的所有的工作程序由SPI接口或者三總線通信接口通過選擇狀態寄存器位置適合的地址來完成。表4為寄存器的地址表格，說明了DS1722兩個寄存器（狀態和溫度）的地址。
1SHOT是單步溫度轉換位，SD是關閉斷路位。如果SD位為“1”，則不進行連續溫度轉換，1SHOT位寫入“1”時，DS1722執行壹次溫度轉換並且把結果存在溫度寄存器的地址位01h(LSB)和02h(MSB)中，完成溫度轉換後1SHOT自動清“0”。如果SD位是“0”，則進入連續轉換模式，DS1722將連續執行溫度轉換並且將全部的結果存入溫度寄存器中。雖然寫到1SHOT位的數據被忽略，但是用戶還是對這壹位有讀/寫訪問權限。如果把SD改為“1”，進行中的轉換將繼續進行直至完成並且存儲結果，然後裝置將進入低功率關閉模式。
傳感器上電時默認1SHOT位為“0”。R0，R1，R2為溫度分辨率位，如表5所示（x=任意值）。用戶可以讀寫訪問R2，R1和R0位，上電默認狀態時R2=“0”，R1=“0”，R0=“1”（9位轉換）。此時，通信口保持有效，用戶對SD位有讀/寫訪問權限，並且其默認值是“1”（關閉模式）。
二、智能溫度傳感器DS18B20的原理與應用
DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之後最新推出的壹種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度並且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數字量，並且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要壹根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源於數據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。
2DS18B20的內部結構
DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內部結構框圖如圖1所示。
(1) 64 b閃速ROM的結構如下：?
開始8位是產品類型的編號，接著是每個器件的惟壹的序號，***有48位，最後8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS18B20可以采用壹線進行通信的原因。
(2) 非易市失性溫度報警觸發器TH和TL，可通過軟件寫入用戶報警上下限。
(3) 高速暫存存儲器
DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括壹個高速暫存RAM和壹個非易失性的可電擦除的E?2RAM。後者用於存儲TH，TL值。數據先寫入RAM，經校驗後再傳給E?2RAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節，他的內容用於確定溫度值的數字轉換分辨率，DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換為相應精度的數值。該字節各位的定義如下：
低5位壹直都是1，TM是測試模式位，用於設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數，即是來設置分辨率，如表1所示（DS18B20出廠時被設置為12位）。?
由表1可見，設定的分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間就越長。因此，在實際應用中要在分辨率和轉換時間權衡考慮。
高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個字節組成，其分配如下所示。其中溫度信息（第1，2字節）、TH和TL值第3，4字節、第6～8字節未用，表現為全邏輯1；第9字節讀出的是前面所有8個字節的CRC碼，可用來保證通信正確。?
當DS18B20接收到溫度轉換命令後，開始啟動轉換。轉換完成後的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1，2字節。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在後，數據格式以0?062 5 ℃/LSB形式表示。溫度值格式如下：?
對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。表2是對應的壹部分溫度值。?
DS18B20完成溫度轉換後，就把測得的溫度值與TH，TL作比較，若T>TH或T<TL,則將該器件內的告警標誌置位，並對主機發出的告警搜索命令作出響應。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度並進行告警搜索。
(4) CRC的產生
在64 b ROM的最高有效字節中存儲有循環冗余校驗碼（CRC）。主機根據ROM的前56位來計算CRC值，並和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機收到的ROM數據是否正確。?
3DS18B20的測溫原理
DS18B20的測溫原理如圖2所示，圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小〔1〕，用於產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1，高溫度系數晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度系數振蕩器產生的時鐘脈沖後進行計數，進而完成溫度測量。計數門的開啟時間由高溫度系數振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在?-55 ℃?所對應的壹個基數值。減法計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當減法計數器1的預置值減到0時溫度寄存器的值將加1，減法計數器1的預置將重新被裝入，減法計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到減法計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖2中的斜率累加器用於補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用於修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重復上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。
另外，由於DS18B20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統對DS18B20的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化DS18B20（發復位脈沖）→發ROM功能命令→發存儲器操作命令→處理數據。各種操作的時序圖與DS1820相同，可參看文獻〔2〕。?
4DS18B20與單片機的典型接口設計
以MCS51單片機為例，圖3中采用寄生電源供電方式， P1?1口接單線總線為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用壹個MOSFET管和89C51的P1?0來完成對總線的上拉〔2〕。當DS18B20處於寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10 μs。采用寄生電源供電方式是VDD和GND端均接地。由於單線制只有壹根線，因此發送接收口必須是三態的。主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過3個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。假設單片機系統所用的晶振頻率為12 MHz，根據DS18B20的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫3個子程序：INIT為初始化子程序，WRITE為寫（命令或數據）子程序，READ為讀數據子程序，所有的數據讀寫均由最低位開始，實際在實驗中不用這種方式，只要在數據線上加壹個上拉電阻4.7 kΩ,另外2個腳分別接電源和地。?
5DS18B20的精確延時問題
雖然DS18B20有諸多優點，但使用起來並非易事，由於采用單總線數據傳輸方式，DS18B20的數據I/O均由同壹條線完成。因此，對讀寫的操作時序要求嚴格。為保證DS18B20的嚴格I/O時序，需要做較精確的延時。在DS18B20操作中，用到的延時有15 μs，90 μs，270 μs，540 μs等。因這些延時均為15 μs的整數倍，因此可編寫壹個DELAY15（n）函數，源碼如下：
只要用該函數進行大約15 μs×N的延時即可。有了比較精確的延時保證，就可以對DS18B20進行讀寫操作、溫度轉換及顯示等操作。
3.2智能溫度傳感器發展的新趨勢
(1)提高測溫精度和分辨力
智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉換器，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轉換器，分辨力壹般可達0.5～0.0625℃。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數據，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換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉換器。已AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對本地傳感器、每壹路遠程傳感器的轉換時間僅為27微秒、9微秒。
(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，利用芯片內部256字節的E*EPROM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想多通道的方向發展，這為研制和開發多路溫度測控系統創造了良好條件。
傳感器都具有多種工作模式可供選擇，主要包括單次轉換模式、連續轉換模式、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）還可通過相應的寄存器來設定其A/D轉換速率，分辨力及最大轉換時間。
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