第3章 温度与湿度测量
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第3章 温度与湿度测量. 本章基本内容 3.1 温度传感器类型与测温范围 3.2 热电阻温度传感器及其温度测量电路 3.3 热电偶传感器及其温度测量电路 3.4 智能集成温度传感器及其应用 3.5 湿度传感器及其测量电路. 3.1 温度传感器类型与测温范围. 1. 温度的测量方法 基于温度的上述特殊性，温度的测量具有多样性。概括起来，温度的测量方法主要可以分为接触式测温和非接触式测温两类。 2. 温度传感器的种类及测温范围 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第 3 章 温度与湿度测量 本章基本内容3.1 温度传感器类型与测温范围3.2 热电阻温度传感器及其温度测量电路3.3 热电偶传感器及其温度测量电路3.4 智能集成温度传感器及其应用3.5 湿度传感器及其测量电路
3.1 温度传感器类型与测温范围 1. 温度的测量方法 基于温度的上述特殊性，温度的测量具有多样性。概括起来，温度的测量方法主要可以分为接触式测温和非接触式测温两类。 2. 温度传感器的种类及测温范围 对温度传感器可以从工作原理、测温方法、热敏材料及功能结构等多种不同的角度进行分类。按温度的测量方法，温度传感器可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器；按温度测量原理，温度传感器可分为体积膨胀式温度计、电阻变化式、电容变化式、热电效应式、压电效应式、热光辐射式等。目前温度传 感器正向着智能温度传感器或集成温度传感器的方向发展。 不同种类的温度传感器具有不同的测温范围。表 3.1列出了工业上常用的温度传感器及其测温范围与主要特征。
3. 温度传感器的应用领域 (1) 温度测量：体温测量、环境温度测量、温度巡回检测、网络化测温系统等。(2) 温度监控：工业过程温度监测与报警、环境温度监测、办公设备与家用电器中温度监测与保护、电信设备及服务器中温度测控等。(3) 特殊应用：温差测量、温度梯度测量、平均温度测量等。
3.2 热电阻温度传感器及其温度测量电路 3.2.1 常用热电阻及其主要性能1. 铂热电阻（ PRT ） 铂属于贵金属，在 1200℃ 以下的较宽温度范围内铂具有良好的热特性，被普遍认为是一种较好的热电阻材料。它的特点是电阻率较高，精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。在 -190 ～ 0℃ 范围内，铂电阻与温度的关系可表示为
在 0 ～ 630.74℃ 范围内，它们的关系为
]t)100t(CBtAt1[RR 320t -+++=
]+++1[= 320 CtBtAtRRt
2. 铜电阻温度传感器在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍使用铜电阻温度传感器。它可用来测量 -50 ～ +150℃ 的温度，在这个温度范围内，铜电阻阻值与温度呈线性关系 .
3. 半导体电阻温度传感器 半导体电阻材料的显著优点在于其电阻温度系数比较大，灵敏度高，绝对值比金属热电阻约大 4 ～ 8 倍，而且温度系数有正有负，可根据实际需要进行选择确定。
)(0 tRRt 1
)11
(
00T
T
beRR
-=
图 3.1 各种半导体热敏电阻温度特性 3.2.2 热电阻的测温误差及引线误差的消除1. 热电阻的测温误差 （ 1 ）热电阻的基本误差 （ 2 ）引线电阻误差 （ 3 ）显示仪表误差
2. 引线电阻误差的消除方法
图 3.2 热电阻的二线制接法 图 3.3 热电阻的三线制接法
（ 3 ）四线制接法在测量要求非常精密的情况下，热电阻通常采用四线制接线法接入电阻测量电路中。
图 3.4 热电阻的四线制接法
3.2.3 热电阻温度传感器的基本测量电路 1. 金属热电阻的测量 在非数字化测量系统中，金属热电阻的测量电路最常用的是电桥电路。电桥电路可分成不平衡电桥和平衡电桥两种。
图 3.5 金属热电阻模拟式测量电路
在数字化或微机温度测量系统中，首先需要应用不平衡电桥或恒流供电等适当线路将热电阻阻值转换成合适的电压值，然后结合 A/D转换器即可实现温度的数字化测量。 图 3.6给出了一种采用微机或单片机实现的温度数字化测控系统。 此外，也可以将热电阻置于振荡电路的反馈回路，使振荡电路的振荡频率随热电阻阻值变化，从而完成被测温度到频率信号的转换，其原理电路如图 3.7所示。在此基础上再配以频率—数字转换器 F/D ，亦可实现温度的数字化或微机化测量。
图 3.6 微机温度测控系统原理
2. 半导体热电阻的测量 热敏电阻 RT 与补偿电阻 RX串联情况如图 3.8所示。
图 3.8 半导体热电阻线性化的串联补偿原理
图 3.9 半导体热电阻线性化的并联补偿原理
3.3 热电偶传感器及其温度测量电路 热电偶是目前温度测量领域中应用最为广泛的传感器之一，它与其它温度传感器相比，具有精度高、测温范围广、结构简单、性能稳定、使用方便、热容量小等优点，并且其输出为电压信号，方便传送与控制3.3.1 热电偶测温原理
图 3.10 热电偶及热电效应
在图 3.10 中，接触电势 UAB(T) 、 UAB(T0) 分别为：
整个热电偶回路中的总接触电势为
对于温差电势 UA(T ， T0) 、 UB(T ， T0) ，分别
整个热电偶回路中的总的温差电势为：
( ) ln( )AAB
B
NkTU Te N
00( ) ln( )A
ABB
kT NU Te N
0 0( ) ( ) ( ) ln( )AAB AB
B
NkU T U T T Te N
- -
∫= T
T AA dTσTTU0
),( 0 ∫= T
T BB dTσTTU0
),( 0
00 0( , ) - ( , ) ( - )d
T
B BA ATU T T U T T T
在整个热电偶回路中，综合两结点处的接触电势和两种单一导体的温差电势后可以形成热电偶的热电势UAB(T ， T0) ，即
图 3.11 具有中间导体的热电偶回路 图 3.12 三种导体分别组成的热电偶
0 0 0 0( , ) [ ( ) ( )] [ ( , ) ( , )]BAB AB AB AU T T U T U T U T T U T T
00( ) ln( ) ( )d
TA
BATB
Nk T T Te N
3.3.2 常用热电偶结构、材料及种类 1. 热电偶传感器的种类 热电偶的种类很多，可按所用热电极材料、适用温度范围、结构、用途以及是否进行工业标准化等多种不同标准对热电偶进行分类，热电偶的基本分类方法如表 3.2所示。 2. 热电偶传感器的结构 为了保证可靠稳定的工作，热电偶的结构应满足一定要求。其热电极结点焊接应牢固；热电极必须有良好的绝缘，以防短路；导线与热电偶的自由端连接应方便可靠；保护管应能保证热电极与有害介质相互隔离。 工程实际使用的热电偶大多由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。
3.3.3 冷端温度的影响及其消除 1. 热电偶冷端温度对温度测量的影响 根据式 (3.13) ，对于特定分度的热电偶，为保证其热电势是被测温度的单值函数，必须维持热电偶冷端温度恒定不变；同时，热电偶分度表和根据分度表刻度的温度仪表，都以热电偶冷端温度为 0℃ 为条件，因此基于这两方面的原因，在使用热电偶测温时，只有在维持冷端温度为 0℃并且恒定不变的情况下，方可测出实际温度。 对于以上使用条件，一般只在实验室作精密测量时才可能得以满足，而在大多数工程测量场合，由于冷端温度往往处在室温或温度波动区域，因此这种使用条件是非常苛刻的。如果刻意根据这一条件来使用热电偶，则既不实用也不经济。那么如何消除实际冷端温度对测量被测温度的影响呢？根据热电偶的基本性质，常采用以下几种方法来实现对冷端温度的修正或补偿。
2. 冷端温度的补偿及修正措施(1) 0℃恒温法 (2) 冷端温度计算修正法(3) 电桥补偿法 图 3.13 恒定冷端温度为 0℃测温法 修正公式 E(T ， 0)= E(T ， Tn)+ E(Tn ， 0)
图 3.15 电桥补偿法测温原理
3.3.4 热电偶传感器的基本测温电路 1. 热电偶直接与动圈仪表配用
图 3.17 简单配接基本测温电路 图 3.18 热电偶串联测温线路 2. 桥式电位差计测量线路
3.4 智能集成温度传感器及其应用 3.4.1 智能集成温度传感器概述1. 智能集成温度传感器产品种类 (1) 模拟集成温度传感器 (2) 智能温度传感器 (3) 模拟集成温度控制器 (4) 通用智能温度控制器 (5) 智能集成温度调理补偿器 2. 智能集成温度传感器的应用领域 智能温度传感器的主要应用于温度测量、温度控制及特殊温度测控等领域。温度测量领域包括数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能温度检测系统、网络化温度测量系统等；温度控制领域指工业过程中温度控制、环境温度监测及报警、家用电器办公设备的温度控制、通信设备与服务器的温度控制等。此外，智能温度传感器在热电偶冷端温度补偿、温差测量、温度场测量、平均温度测量等一些特殊场合也得到了广泛应用。
3.4.2 典型智能集成温度传感器及其应用 1. 基于总线的智能温度传感器 智能温度传感器的总线技术已实现了标准化、规范化。目前所采用的总线主要有 1-Wire总线 (单总线 ) 、I2C总线、 SMBus总线和 SPI(Serial Peripheral Interface) 三总线等，其中 I2C总线和 SMBus总线都属于二线总线。基于总线的智能传感器作为从机，通过专用总线接口与主机通信。(1) 基于 1-Wire总线的智能温度传感器 DS18B20 是一种典型的基于 1-Wire总线的智能温度传感器，为美国 DALLAS 公司继 DS1820后推出的改进产品，被广泛应用于工业、民用、军事领域的温度测控系统。
图 3.20 DS18B20 内部结构及引脚(2) 基于 I2C 串行总线的智能温度传感器
图 3.21 MAX6626 内部框图及典型应用
(3) 基于 SMBus总线的智能温度传感器 利用 MAX6654 可对 PC 机、笔记本电脑和服务器中CPU 的温度进行监控，图 3.22 是应用 MAX6654 对
CPU温度进行监控的典型应用电路。
(4) 基于 SPI总线的智能传感器
图 3.23 LM74 内部结构及其与单片机的适配电路2. 多通道智能温度传感器 多通道智能温度传感器是在单通道智能温度传感器的基础上发展而成的大规模集成电路，它为研制和开发高性价比的多通道温度测控系统创造了良好条件。 AD7417 是 5 通道精密智能温度传感器
AD7417 是 5 通道精密智能温度传感器
图 3.25 由 AD7417 构成的 5 通道温度测控系统
3. 智能集成温度控制器 TMP01 是美国 ADI 公司生产的低功耗可编程温度控制器，有 TMP01E 、 TMP01F 、 TMP01G 三种规格，采用DIP-8 、 SOIC-8 或 TO-99 三种封装形式， 8 个引脚。各引脚功能如表 3.6所示。
4. 智能温度调理补偿器 (1) 集成铂热电阻信号调理器 ADT70 ADT70 是美国 ADI 公司为提高铂热电阻 (platinum resistance-temperature device ， PRTD) 测温精度、简化二次测温仪表设计而推出的集成 PRTD 信号调理产品，可与 Pt1000 或 Pt100适配。
图 3.28 ADT70 引脚排列 图 3.29 ADT70 内部结构及典型应用
(2) 模拟式集成温度传感器在热电偶冷端温度补偿中的应用
3.5 湿度传感器及其测量电路 湿度的测量与控制在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门及人们的舒适与健康方面至关重要。 但是在常规的环境参数中，由于大气压强、温度等因素同时影响着湿度的高低，因而湿度的准确测量具有极大难度。使用常规的干湿球湿度计或毛发湿度计测量湿度时，测量误差在±5%～±20%之间，已经无法满足现代科技发展的需要，并且存在校准困难，即使如此也不能确保标定精度。 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步，湿度传感器正从简单的湿度元件向着集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了非常有利的条件，也将湿度测量技术提高到了一个崭新的水平。
3.5.1 湿度传感器的类型及性能 1. 湿度测量的名词术语 (1)气体的湿度 (2)固体的湿度2. 湿敏元件 (1) 湿敏电阻(2) 湿敏电容3. 湿敏传感器 (1) 普通型湿度传感器 (2)典型集成湿度传感器
3.5.2 基于湿敏电阻的相对湿度测量电路 在应用湿敏电阻设计相对湿度测量电路时，需要解决以下四个方面的问题，以便实现电路的优化设计。① 相对湿度受环境温度影响，必须维持湿敏电阻在恒温下工作方可保证测量的准确性；② 湿敏电阻的阻值与相对湿度之间存在严重非线性，电路需要采取相应的补偿措施；③ 鉴于直流电流流过湿敏电阻时的电化学迁移而损坏湿敏电阻，必须采用交流或对称方波信号来驱动湿敏电阻；④ 测量电路应具有校准相对湿度功能。
根据上述要求，可以构思出相对湿度测量电路框图如图 3.35所示。
图 3.35 相对湿度测量仪电路框图 相对湿度测量电路如图 3.36所示。以结型场效应管 (JFET) 为输入级的运放 IC1a (1/4LF347) 、三端可调电流源 IC2 (LM334) 和二极管桥路 (VD1～ VD4) 组成精密对称方波发生器，其输出 UO1经缓冲器(IC1b) 驱动PCRC—55 型湿敏电阻；晶体管VT1 和运放 IC1c组成对数放大器，对湿敏电阻进行全局线性化处理并兼有半波整流作用，其输出UO2送至运放 IC1d 的反相输入端；运放 IC1d 和电位器 RP1、 RP2 构成相对湿度校准电路，其中 RP1 用以校准 40%RH 的刻度， RP2则用以校准100%RH 的刻度，校准后的信号经过滤波电容 C3得到直流信号，再经过输出放大器 IC3a放大，最终得到 0 ～ +10V 的输出电压。
图 3.36 高精度相对湿度测量仪电路原理图
相对湿度测量仪的校准方法是：在输出端与地之间接一块满量程为 20V 的 41/2DVM ，用一只 35MΩ电阻代替湿敏电阻，调节 RP1 使仪表读数为 100.00%RH ，再用一只 8 MΩ电阻代替湿敏电阻，调节 RP2 使仪表读数为
40.00%RH ，如此重复，直至调节 RP1 和 RP2时互不影响仪表读数。最后用一只 60MΩ电阻代替湿敏电阻，适当调节断点放大器中 R12 的阻值使仪表读数为 24.00%RH即完成全部调试工作，调试完毕后仪表即可投入使用测量相对湿度。
上述相对湿度测量仪的测量范围为 0.00%RH ～100.00%RH ，测量精度达±2%，分辨力为 0.01%，由于全部使用通用元器件，因而成本低廉，易于推广应用。但在更换湿敏电阻后，必须重新校准，并且也需要根据所用湿敏电阻的工作温度特性来修正其 RH读数。
3.5.3 基于湿敏电容的相对湿度测量电路 湿敏电容是利用其电容量随环境湿度变化而变化的原理来进行湿度测量的，其电容变化量与环境湿度之间存在单值对应关系。根据电容测量方法，基于湿敏电容的相对湿度测量电路可以采用电压输出式和频率输出式两种主要形式。下面结合美国 Humirel 公司生产的HS1100/1101 型湿敏电容，介绍基于湿敏电容的相对湿度测量电路的设计。1. HS1100/1101 型湿敏电容 HS1100/1101 型湿敏电容在电路中都用可变电容符号表示， 2 个引脚，为使测量具有良好重复性，通常将其中 1 个引脚接地。 HS1100 和 HS1101 具有相同的性能，区别仅仅是封装形式不同。
图 3.37给出了在室温 25℃ 、工作频率为 10kHz 测试条件下， HS1100/1101 型湿敏电容的电容量与相对湿度的响应曲线。
图 3.37 电容与湿度关系响应曲线
电容量的修正可按下式进行：C=(0.90+0.208RH)C0 (3.31)如果湿敏电容的工作频率不等于 10kHz ，则其实际电容
C ΄ 为 C ΄=(1.027-0.01185Inf) C
2. 湿敏电容式相对湿度测量电路 (1) 线性电压输出式相对湿度测量电路 线性电压输出式相对湿度测量电路框图如图 3.38所示。
图 3.38 线性电压输出式湿度测量电路
表 3.7 输出电压与相对湿度的数据对照表
(2) 线性频率输出式相对湿度测量电路 线性频率输出式相对湿度测量电路如图 3.39所示。利用一片CMOS 定时器 TLC555 ，配上 HS1100/1101 和电阻 R2、 R4 构成单稳态电路，将相对湿度转换成频率信号，电路的输出频率范围为 7351Hz ～ 6033 Hz ，所对应的相对湿度为 0 ～ 100%。当RH=55%时， f=6660Hz 。输出频率可送到数字频率计或单片机系统，测量并显示出相对湿度值。
图 3.39 线性频率输出式相对湿度测量电路
3.5.4 SHT11/15 型单片智能湿度 / 温度传感器及其应用 SHT11/15 是瑞士森斯瑞 (Sensirion) 公司于 2002年在世界上率先推出的两种超小型、高精度、自校准、多功能式智能传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。 SHT11 和 SHT15 的原理相同，只是测量精度方面存在一定差异。它们被广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备等领域。 SHT11/15 型湿度 / 型温度传感器采用CMOSens(CMOS-Sensor)专利技术研制而成，将传感器 (sensor) 与变送器 (transmitter) 有机融合于一起，为开发高精度湿度 / 温度智能检测系统提供了一种有效的解决方案。
图 3.40 SHT11/15 型湿度 / 温度传感器内部电路框图 表 3.9 SHT11/15 内状态寄存器位格式及功能
表 3.10 SHT11/15命令集
表 3.11 d1 、 d2 值的选择
由 SHT15 构成的相对湿度 / 温度测试系统如图 3.41所示。该系统能测量并显示相对湿度、温度和露点。 SHT15 作为从机，单片机作为主机，二者通过二线串行总线进行通信。 C 为电源退耦电容。 P0口、 P2口和 P3口分别接 3组LED 显示器。其中相对湿度的测量范围是 0 ～99.99%RH ，测量精度是±2%RH ，分辨力为0.01%RH ；温度测量范围是 -40 ～ +123.8℃ ，测量精度是±1℃ ，分辨力为 0.01℃ ；露点测量精度 <±1℃ ，分辨力也是 0.01℃ 。
图 3.41 相对湿度 / 温度测量系统
