温度传感器原理

【简介】感谢网友“烈焰”参与投稿，以下文章小编为您整理的温度传感器原理（共7篇），供大家阅读。

篇1：温度传感器原理

温度传感器原理

一、温度传感器热电阻的应用原理

温度传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

1．温度传感器热电阻测温原理及材料

温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。

2．温度传感器热电阻的结构

（1）精通型温度传感器热电阻 工业常用温度传感器热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点见表2-1-11。从温度传感器热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过温度传感器热电阻阻值的变化来测量的，因此，温度传感器热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制，有关具体内容参见本篇第三章第一节.

（2）铠装温度传感器热电阻 铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

（3）端面温度传感器热电阻 端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型温度传感器热电阻 隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型温度传感器热电阻可用于Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

3．温度传感器热电阻测温系统的组成

温度传感器热电阻测温系统一般由温度传感器热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点： ①温度传感器热电阻和显示仪表的分度号必须一致

②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。具体内容参见本篇第三章。

（2）铠装温度传感器热电阻 铠装温度传感器热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。与普通型温度传感器热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击，③能弯曲，便于安装④使用寿命长。

（3）端面温度传感器热电阻 端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

（4）隔爆型温度传感器热电阻 隔爆型温度传感器热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到

火花或电弧等影电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用

随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越业越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。如何使用好湿度传感器，如何判断湿度传感器的性能，这对一般用户来讲，仍是一件较为复杂的技术问题。

下列此文供大家参考。

一、湿度传感器的分类及感湿特点

湿度传感器，分为 电阻式 和 电容式 两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。湿度传感器具有如下特点：

1、精度和长期稳定性

湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±10℃）和洁净的气体中测量的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±2%左右，甚至更高。

2、湿度传感器的温度系数

湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度

补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。

3、湿度传感器的供电

金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。

4、互换性

目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面作出了种种努力，（但互换性仍很差）取得了较好效果。

5、湿度校正

校正湿度要比校正温度困难得多。温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。

二、对湿度传感器性能作初步判断的几种方法

在湿度传感器实际标定困难的情况下，可以通过一些简便的方法进行湿度传感器性能判断与检查。

1、一致性判定，同一类型，同一厂家的湿度传感器产品最好一次购买两支以上，越多越说明问题，放在一起通电比较检测输出值，在相对稳定的条件下，观察测试的一致性。若进一步检测，可在24h内间隔一段时间记录，一天内一般都有高、中、低3种湿度和温度情况，可以较全面地观察产品的一致性和稳定性，包括温度补偿特性。

2、用嘴呵气或利用其它加湿手段对传感器加湿，观察其灵敏度、重复性、升湿脱湿性能，以及分辨率，产品的最高量程等。

3、对产品作开盒和关盒两种情况的测试。比较是否一致，观察其热效应情况。

4、对产品在高温状态和低温状态（根据说明书标准）进行测试，并恢复到正常状态下检测和实验前的'记录作比较，考查产品的温度适应性，并观察产品的一致性情况。

产品的性能最终要依据质检部门正规完备的检测手段。利用饱和盐溶液作标定，也可使用名牌产品作比对检测，产品还应进行长期使用过程中的长期标定才能较全面地判断湿度传感器的质量。

三、对市场上湿度传感器产品的几点分析

国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。 电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，

30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现“阶跃”性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40℃以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。 电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构“天然老化”的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。 氯化锂湿敏电阻，具有最突出的优点是长期稳定性极强，因此通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度，稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度及一致性，是长期使用寿命的可靠保证。氯化锂湿敏元件的长期稳定性其它感湿材料尚无法取代。

篇2：传感器原理课改革初探

传感器原理课改革初探

介绍了本系在传感器原理课教学改革方面的一些探索和尝试.

作 者：刘永顺 Liu Yongshun  作者单位：安阳师范学院电气电子信息工程系,河南,安阳,455000 刊 名：物理与工程 英文刊名：PHYSICS AND ENGINEERING 年，卷(期)： 19(4) 分类号：G71 关键词：传感器原理   改革   探索  

篇3：光纤传感器结构原理及分类

光纤传感器结构原理及分类

光纤温度传感器

1、光纤传感器结构原理

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图 (a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见 图(b)。

由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。

可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机―电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。

光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即

A――电场E的振幅矢量；ω――光波的振动频率；

φ――光相位；t――光的传播时间。

可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。

2、光纤传感器的分类

注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型

（1）根据光纤在传感器中的作用

光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。

1）功能型（全光纤型）光纤传感器

利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合 为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感” 的'功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。

2）非功能型（或称传光型）光纤传感器

光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

（2）根据光受被测对象的调制形式

形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。

1）强度调制型光纤传感器

是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各 物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振 动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。

优点：结构简单、容易实现，成本低。

缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。

是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶 体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类 传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。

3）频率调制光纤传感器

是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。

4）相位调制传感器

其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变 化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场 传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应

的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须 用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。

篇4：传感器原理与应用答案

一、填空题(每空1分，共15分)

1. ON-OFF型微动开关 2.电子扫描 3.材料压阻系数

4.金属5.磁头所处的位置

6.动态性能 7.标准测试系统 8.不失真测量 9.温度差

10.低

11..RC网络 12.交流 13.地址译码器 14.细分 15.0

二、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个

正确答案，并将正确答案的序号填在题干的括号内。

每小题1分，共15分)

1.(C) 2.(C) 3.(C) 4.(D) 5.(B) 6.(B) 7.(A) 8.(A) 9.(A) 10.(D)

11.(A) 12.(C) 13.(B) 14.(C) 15.(D)

三、问答题(每小题5分，共30分)

1.在静态测量中，根据测量系统输入量与对应输出值所绘

制的定度曲线可以确定那些静态特性? 在静态测量中，

根据绘制的定度曲线，可以确定测量系统的三个静态特

性：灵敏度，非线性度，回程误差。

2.设载波的中心频率为f0试根据图a、图b所示调制信号

定性画出相应调频波波形。

调频波波形频率f与中心频率f0和调制波幅值的关系f=f0±Δf,Δf为频率偏移，与X(t)幅值成正比。

3.回答下列函数哪些是周期函数、哪些是非周期函数：

xω

1(t)=sin3ωt，x2(t)=e-t，x3(t)=esint，x4(t)=δ(t)，

x5(t)=sin??1?

?2t??

x1(t) x3(t) x5(t)周期函数，x2(t) x4(t)非周期函数

4.简述两类扭矩的测量原理及举例说明相应的扭矩传感

器。

1)轴类零件受扭矩作用时，在其表面产生切应变，可通过测量该应变检测扭矩，如电阻应变式扭矩传感器。

2)弹性转轴受扭后，两端面的相对转角只与所承受的扭矩有关，且呈比例关系，可通过测量扭转角测量扭矩，如电容式或光电式扭矩传感器。

5.简述应变片在弹性元件上的布置原则，及哪几种电桥接法具有温度补偿作用。 (1)贴在应变最敏感部位，使其灵敏度最佳； (2)在复合载荷下测量，能消除相互干扰； (3)考虑温度补偿作用； 单臂电桥无温度补偿作用，差动和全桥方式具有温度补偿作用。 6.涡流式传感器测量位移与其它位移传感器比较，其主要优点是什么?涡流传感器能否测量大位移量?为什么? 优点： 能实现非接触测量，结构简单，不怕油等介质污染。

涡流传感器不能测量大位移量，只有当测量范围较小时，才能保证一定的线性度。 四、计算题(每小题8分，共24分) 1.已知测量齿轮齿数Z=18，采用变磁通感应式传感器测量工作轴转速(如图所示)。若测得输出电动势的交变频率为24(Hz)，求：被测轴的转速n(r/min)为多少?当分辨误差为±1齿时，转速测量误差是多少?

(1)测量时，齿轮随工作轴一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，磁通也变化一次，因此，线圈感应电动势的变化频率f等于齿轮的齿数Z与转速n的乘积。

f=nZ/60

n=

60fZ=60?24

18

=80(r/min) (2)读数误差为±1齿，所以应为1

18

转，即：

n=80±1

18

(r/min)

2.由RC组成无源低通滤波器，已知R=500(Ω)，C=10(μF)，试求：

(1)截止频率f0，并画出该滤波器的幅频示意图。

(2)设输入信号x(t)=0.2cos?

????125.6t?4??

,判断其是否在该

滤波器的通频带内。

(1)f11

0=2?RC?2??500?10?10?6?318.(HZ)

幅频示意图：

(2)周期信号x(t)的角频率ω=125.6

f?1256.1=2??2?

?20(HZ)?f0 信号x(t)的频率在该滤波器的通频带内。

3.试绘出x(t)=2cos(2πf0t)+3的时域图和频域图。

由于1?δ(f) 3?3δ(f) 又 2cos(2πf0t)?δ(f-f0)+δ(f+f0)

根据傅里叶变换的线性叠加原理：

2cos(2πf0t)+3?δ(f-f0)+3δ(f)+δ(f+f0)时域图见图a，频域图见图b

五、应用题(每小题8分，共16分)

1.试用双螺管线圈差动型电感传感器做成一个测力传感器。

(1)用简图说明该传感器的结构，并简要说明其作用原理；

(2)用图说明两个线圈在电桥电路中的接法。

(1)传感器的结构如图a所示，它由传力块、弹性圆桶、双螺管线圈、衔铁、传感器座等几部分组成。 原理：被测力F通过传力块作用在弹性圆桶上，弹性圆桶的变形带动衔铁移动，使双螺管线圈的'电感量发生变化，从而实现力的测量。

(2)电桥的接法如图b所示：

2.如图所示，轴工件用前后顶尖支承纵向磨削外园表面，在加工过程中，径向力Py和切向力Pz大小基本不变，但着力点位置沿轴向移动，现在前后顶尖上粘贴电阻应变片测量工件所受的Pz。

(1)在图中标明应变片的位置及Pz的测量电桥。 (2)着力点移动对测量结果有无影响?为什么?

(1)应变片(R1、R2、R3、R4)粘贴位置如图a所示；测量电桥如图b所示。

(2)根据以上位置布片和电桥接法，着力点位置的变化不会影响Pz的大小，因为在顶尖上的分力Pz1、Pz2，Pz=Pz1+Pz2，由Pz1、Pz2引起的电阻R1、R3的变化值之和

保持不变，故Pz的测量不受着力点的移动而改变。

篇5：α射线露点传感器温度跟踪补偿

α射线露点传感器温度跟踪补偿

介绍了采用半导体探测器和温度传感器研制成的α射线露点传感器的工作原理.分析了α射线露点传感器的温度特性,表明测量范围较宽时,传感器的输出易受环境温度的影响,并且呈非线性.提出一种基于神经网络共轭梯度算法的α射线露点传感器温度跟踪补偿方法.利用神经网络共轭梯度算法具有逼近任意非线性函数的`特点,通过训练使神经网络建立在不同环境温度下传感器输出与其实际感受的电压值之间的非线性映射关系,实现α射线露点传感器温度补偿.计算机仿真表明,该方法不仅能有效地消除温度的影响,而且能在神经网络的输出端得到期望的线性输出.

作 者：莫长涛 陈长征 李刚 孙凤久  作者单位：莫长涛,孙凤久(东北大学理学院,辽宁沈阳,110004)

陈长征(沈阳工业大学诊断与控制中心,辽宁沈阳,110023)

李刚(哈尔滨商业大学基础部,黑龙江哈尔滨,150076)

刊 名：东北大学学报(自然科学版)  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF NORTHEASTERN UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 年，卷(期)： 24(7) 分类号：O572.2 关键词：α射线   露点传感器   非线性   神经网络   共轭梯度算法   补偿  

篇6：无线红外温度传感器的设计

无线红外温度传感器的设计

摘 要：文章介绍了一种基于MLX90614ESF-BAA的无线红外温度传感器，具有非接触、体积小、精度高，成本低等优点。文章主要给出了传感器的硬件电路设计及节点的软件设计。硬件设计主要包括电源电路，采集电路和无线射频电路，软件设计主要包括数据采集和通信协议的设计。最后对设计的传感器节点进行了射频性能和传感器精度的测试验证。

关键词：红外温度传感器；Modbus协议；433MHz无线通讯

引言

红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、稳定性好等特点，近年来常被应用于高精度无接触测量，在智能家居、智能电网、汽车电子等领域都有广泛的应用。

本文设计的传感器具体应用场景是配电室，用于测量线缆温度。本设计采用MLX90614BAA红外温度传感器，具有非接触，体积小、精度高，成本低等优点。传感器采集的数据通过工业现场总线协议DDModbus协议进行传输，并采用433MHz无线模块进行数据通信。无线通信方式，避免了有线通信电缆安装的不便，选用433MHz频段具有较远的通信距离和穿墙能力，适用于配电室这一特定应用场景。

1 无线频段的选取

结合传感器的具体应用场景的实际使用需要，综合考虑耗电量、传输距离、数据速率、安全性和成本等因素，本设计的无线通信频段选用433MHz。由于配电室环境复杂，设备装置多，数据传输的路径弯曲程度大。在相同的弯曲度路径情况下，433MHz的无线射频衰减率为：0.577dB/m；915Mhz的无线射频衰减率为：0.676dB/m；2.4G的无线射频衰减率为0.761dB/m。由此可见：无线设备工作在433MHz频段更有利于在弯曲路径时的通信。在芯片的选型上遵循低功耗，低成本，微型化的原则，因此本文中设计的传感器采用CC1101芯片。

2 硬件设计

无线红外温度传感器的硬件设计包含电源供电电路，数据采集电路，无线数据传输模块电路几个部分。

电源供电部分主要是把3.7V电池电压转换为3.3V，作为各个部分的供电电源，以及5V电源给电池充电两个部分，使用Maxim公司的MAX8881作为3.7V转3.3V的降压芯片，MAX1555作为5VDC电源给电池充电的芯片。

数据采集部分采用Melesix公司的MLX90614红外温度传感器。此款传感器第一文库网环境温度范围为-40°～+125°，物理温度范围-70°～+380°，电源电压3.3v。MLX90614 是由内部状态机控制物体温度和环境温度的测量和计算，进行温度后处理，并将结果通过 PWM 或是SMBus模式输出，本设计选用SMBus模式。

433MHz无线射频模块采用的STM32F103RBT6作为主控芯片，CC1101作为无线射频芯片。主控模块通过SPI总线通信接口拖带无线射频通信模块，可以实现对无线通信模块的寄存器的`读写，从而完成对模块通信参数的配置，进一步控制模块对无线数据的收发。

3 软件设计

软件设计部分包含温度数据的采集、处理，无线数据收发和Modbus通信协议几个部分。

3.1 数据采集与处理

红外温度传感器采集温度数据传输时序如下图所示，START位定义为当SCL为高时，SDA线为从高到低的转换。STOP位定义为当SCL为高时，SDA为从低到高的转换。每个字节包括8位，在总线上传送的每个字节必须跟随一个确认位，和确认关联时钟脉冲是由主控器产生的。读取数据是以字节为单位进行的。每次发送一个字节，然后就判断对方是否有应答，如果有应答，就接着发送下一个字节；如果没有应答，多次重发该字节，直到有应答，就接着发送下一个字节，如果多次重发后，仍然没有应答，就结束。接收数据时，每次接收一个字节，然后向对方发送一个应答信号，然后就可以继续接收下一个字节。

本文中设计的无线红外温度传感器上电初始化后，等待上位机通过集中器无线模块发送的数据采集命令，再对数据进行采集，并将采集到的数据按照Modbus协议处理后，通过无线模块传输到集中器中。

3.2 Modbus通信协议

Modbus通信协议是一种工业现场通用协议，主要规定了应用层报文传输的格式，使得不同生产厂商的设备可以连成网络，集中监控。Modbus协议可分为在TCP/IP上的实现与串行链路上的实现，即Modbus-TCP和Modbus-RTU。传感器内部实现的是Modbus-RTU协议。Modbus协议使用的是客户机/服务器（C/S）的通信模式，主站向从站发送请求的模式有两种：单播和广播，本文实现的是单播的模式。

Modbus通用帧即ADU应用数据单元分为附加地址、功能码、数据和差错校验4个部分，其中功能码和数据部分为PDU协议数据单元。传感器接收到上层rtu帧命令后，首先进行从站地址和差错校验码的判断，若不正确直接丢弃命令帧，若正确则进行rtu帧解包获取命令并进行温度采集，数据采集后进行rtu帧封包，最终通过无线模块与上层设备进行数据通信。

4 测试结果

在排除433MHz频段其他设备干扰的情况下，对无线红外温度传感器进行射频性能的测试，每次发送1000个数据包，保证丢包率为0%的情况下，有效直线传输距离为120米，穿透性为两层楼。

无线红外温度传感器精度的测试，在相同环境中，使用市场上购买的手持红外温度仪与本文中设计的传感器进行温度监测数据的对比，温度值的误差保持在±0.5°C以内。

5 结束语

本文中设计了一种使用Modbus通信协议并通过433MHz频段无线通信的红外温度传感器，介绍了频段及射频芯片选择的原则，给出了传感器的硬件及软件设计方案。较详尽的介绍了MLX90614红外温度传感器的数据采集时序及原理，以及本设计中应用的Modbus协议。最后对传感器设备进行了射频测试及精度测试，测试结果表明，该传感器具有非接触性，高精度，通信距离远，穿墙能力强等优势。

参考文献

[1]Melexis公司.MLX90614红外温度计数据表.

[2]沙春芳.红外温度计MLX90614及其应用[J].现代电子技术，22期.

[3]吴永宏，高峰.基于MLX906014的红外测温仪[J].仪表技术与传感器.02期.

[4]GB/T 19582.2-，基于Modbus协议的工业自动化网络规范 第2部分：Modbus协议在串行链路上的实现指南[S].20.

篇7：二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用

二氧化碳传感器TGS4160的原理及应用

摘要：TGS4160是FIGARO（弗加逻）公司生产的一种固态电化学型二氧化碳（CO2）传感器，该器件除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特性外，同时还具有耐高湿和耐低温等特点。因而可广泛用于自动通风换气系统或CO2气体的长期监测等应用场合。文中叙述了该传感器的内部结构和工作原理，给出了一个用TGS4160设计的专用模块的基本应用电路原理图。

关键词：TGS4160；单片机；传感器；二氧化碳

1 概述

TGS4160二氧化碳传感器是FIGARO（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性?可广泛用于自动通风换气系统或是CO2气体的长期监测等应用场合。但是，由于TGS4160的预热时间较长（一般为2小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。此外，为了方便客户使用，FI-GARO公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块AM－4。该模块采用微处理器进行控制，CO2气体浓度的输出信号电平为0．0～3．0V，相当于0～3000ppm的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。TGS4160传感器的主要技术参数如下：(本网网收集整理)

●测量范围：0～5000ppm；

●使用寿命：2000天；

●加热器电压：5．0±0．2VDC；

●加热器电流：250mA；

●加热器功耗：1．25W；

●内部热敏电阻（补偿用）：100kΩ±5％；

●使用温度：－10～＋50℃?

●使用湿度?5～95％RH；

●产品尺寸：最大外径Φ24mm，高24mm，引脚长5．8mm。

2 内部结构

TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式CO2敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的`，TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的6个引脚通过0．1mm的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图1所示。图中，阳极与传感器的第3脚S（＋）相连，阴极与传感器的第4脚S（－）相连，Pt加热器与传感器的第1，6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2，5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。

3 工作原理

TGS4160型CO2传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在CO2气体环境中时，就会产生电化学反应。其反应式如下：

阴极反应方程：

4Li＋＋2 CO2＋O2＋4e－＝2Li2CO3

阳极反应方程：

4Na＋＋O2 ＋4e－＝2Na2O

总的化学反应方程：

Li2CO3＋2Na＋＝Na2O＋2Li＋＋CO2

作为电化学反应的结果，根据耐斯特方程（Nernst），该过程将产生如下电势（EMF）：

EMF＝Ec－（RF）／（2F）ln（PCO2 ）

式中：PCO2 为CO2的分压；Ec为常数；R是气体常数； T为温度值（K）；F是法拉第常数。

从上式看出，通过监测S（＋）、S（－）两个电极之间所产生的电势值EMF，就可以测量CO2的浓度值。为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在5．0±0．2VDC之内。为了保证CO2的准确测量，除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外，更主要的是要测量两电极之间变化的电势值ΔEMF，而不是绝对电势值EMF，因为ΔEMF与CO2浓度变化之间有一个较好的线性关系。虽然EMF绝对值随环境温度的上升而上升，ΔEMF却保持常量，而且它在－10℃～＋50℃温度范围内，基本不受温度的影响。

图2

ΔEMF值可由下式求得：

ΔEMF＝EMF1－EMF2

其中，EMF1为350ppm的CO2中的EMF值；EMF2为所测量的CO2的EMF值。

在温度为20℃±2℃、湿度为65±5％RH、加热电压为5．0±0．05VDC、预热时间为7天或大于7天的条件下，测得传感器在浓度为350ppm中的EMF值是220～490mV，而ΔEMF在350～3500ppm的CO2浓度中的值是44～72mV，因此?在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（≥100GΩ）、低偏置电流（≤1pA）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号通常有两种方案可供选择：一是使用费加罗（FIGARO）公司的FIC98646专用处理器模块，二是选用其它型号的单片机并通过自己编程进行信号处理。

4 基本应用

利用TGS4160传感器并通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再作一些简单的运算处理，就可以在CO2浓度为300～5000ppm的范围内测得信号，该信号为0～几百毫伏的电压信号，可以供高精度A／D采样使用。如果使用费加罗（FIGARO）公司提供的AM－4 CO2传感器模块，则可直接应用于自动通风换气系统或是CO2气体监测。该模块内部带有A／D转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。它输出的电压信号与CO2浓度值呈线性关系，输出的电压信号为0～3．0V，相当于0～3000ppm的CO2浓度。另外，该模块还提供有中继转接控制信号。当CO2浓度高于设定值时，输出的转接控制信号为高电平5V，该信号可以使得红LED点亮；反之，它将转接控制信号为低电平0V以使绿LED点亮。但是，该模块的设定值是分档的，而不是连续可调的。共分为四档（可通过线路板上的跳线来实现），表1和表2分别给出了门限开关信号的浓度值及跳线连接方法。AM－4模块的实用电路原理图见图2所示。

表1 门限信号浓度

控制信号门限档次开关Ⅰ800ppm720ppmⅡ1000ppm900ppmⅢ1500ppm1350ppmⅣ2000ppm1800ppm

表2 跳线连接

连   接   方   式档次JP5JP6JP7JP8Ⅰ连连连断Ⅱ连连断连Ⅲ连断连连Ⅳ断连连连

如果认为使用AM－4模块不方便或是认为价格太高，也可以自行设计电路，并自行编写程序进行处理。

5 结束语

TGS4160型CO2传感器特别适合于连续监测CO2的场所，它不需断电，其稳定性好。但TGS4160传感器不适于做便携式或手持式CO2测量仪器。因为预热时间太长，不能即时测量，同时传感器的功率也较大。此外，传感器暴露在某些气体中（如氯气）会降低灵敏度，由于沸石可以对某些干扰气体（如乙醇）加以滤除。因此，不用时可置于干燥剂中，并用专用袋进行密封。