3.7 新型温度传感器
3.7.1 半导体PN结型温度传感器
PN结型温度传感器是一种半导体敏感器件，它实现了温度与电压的转换。在常温范围内兼有热电偶，铂热电阻和热敏电阻的各自优点，同时它克服了这些传统测温器件的某些固有缺陷，是自动控制和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件之一。在-50～200℃温区内有着极其广泛的用途。特别在温室大棚﹑水产养殖﹑医疗器械﹑家电等领域的应用。人们将不断开发、创新，致力于特殊、边沿领域的应用，满足不同用途的需求。
当电流密度保持不变时，PN结正向压降随着温度的上升而下降，近似线性关系，如图3-28所示。
图3-28 PN结的温度特性曲线
使用注意事项：
（1）PN结温度传感器是有极性的，有正负之分。
（2）流过PN结温度传感器的电流可选用100μA左右。
（3）PN结温度传感器在0℃时的输出电压不是为0V，而是0.7V左右，并随着温度的升高而降低。
（4）PN结温度传感器在常温区使用（-50～200℃）温度范围的选取应按实际需要来确定。
（5）PN结温度传感器的输出信号较大，每摄氏度有2mV左右，因此可依据实际应用情况决定是否要加放大电路。
3.7.2 集成温度传感器
集成温度传感器从20世纪80年代进入市场，由于它有线性度好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用简便等优点，故得到广泛应用。
集成温度传感器是利用晶体管PN结的电流电压特性与温度的关系，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，封装在同一壳体内的一种一体化温度检测元件。它除了与半导体热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点外，还具有线性好、性能高、价格低等特点。它的输出形式分为电压输出型和电流输出型两种。
1.电流输出型集成温度传感器
电流输出型集成温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590是电流输出型集成温度传感器的典型产品，其图形符号如图3-29所示。
AD590是美国模拟器件公司生产的一种单片集成两端电流输出型集成温度传感器，其工作电压为4～30V；测温范围为-55～150℃；精度为±0.5℃；具有标准化的输出，固有的线性关系（温度每变化1℃，其输出电流变化1mA）；输出零点为热力学温标零点，即-273℃时，AD590的输出电流为0mA；0℃时，输出电流约为273mA。其高阻抗电流输出特性使它对长线路传输的电压降不敏感，因而可用于远程温度检测。
AD590是电流输出型集成温度传感器，灵敏度为1μA/K。有I、J、K、L、M几挡，其温度校正误差大小不同。温度校正误差是指传感器输出的信号所对应的温度值与实际温度值之间的差值，AD590低挡的校正误差很大，如AD590I的校正误差为±10℃，对精度有较大影响，要进行补偿才可以。
图3-29 AD590的图形符号
AD590内部电路由两只PN结对管组成的温度敏感元件和恒流源组成，如图3-30所示。其中，V1、V2为差动对管，由恒流源提供的I1、I2分别为V1、V2的集电极电流，则ΔUbe为
式中：q——电子电荷量；
K——玻尔兹曼常数；
T——绝对温度；
γ——常数。
由式（3-44）可知，只要I1/I2为一恒定值，则ΔUbe与温度T为单值线性函数关系。这就是AD590集成温度传感器的基本工作原理。
2.电压输出型集成温度传感器
图3-31所示为电压输出型集成温度传感器。V1、V2为差动对管，调节电阻R1，可使I1=I2，当差分对管V1、V2的β值大于或等于1时，电路输出电压Uo为
由此可得
R1、R2不变，则Uo与T成线性关系。若R1=940Ω，R2=30kΩ，γ=37，则电路输出温度系数为10mV/K。
图3-30 AD590集成温度传感器的内部电路图
图3-31 电压输出型集成温度传感器
3.数字温度传感器
数字温度传感器就是能把温度物理量和湿度物理量，通过温、湿度敏感元件和相应电路转换成方便计算机、PLC、智能仪表等数据采集设备直接读取得数字量的传感器。下面以DS18B20为例进行简单介绍。
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，型号多种多样，有LTM8877、LTM8874等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温、高炉水循环测温、锅炉测温、机房测温、农业大棚测温、洁净室测温、弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨、耐碰、体积小、使用方便、封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20引脚图如图3-32所示。DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
图3-32 DS18B20引脚图
DS18B20采用单总线的接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器DS18B20的双向通信。单总线具有经济性好、抗干扰能力强、适合于恶劣环境的现场温度测量、使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃，分辨率设定，以及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。测量温度范围为-55～+125℃。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，如图3-33所示。
图3-33 DS18B20内部结构
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
DS18B20温度采集转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于或等于0，这5位为0，只要将测到的数值乘0.0625即可得到实际温度；如果测得的温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘0.0625方可得到实际温度。