温度传感器的温度特性测量和研究Word下载.docx
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半导体热敏电阻
电阻率大、温度系数大、线性差、
-致性差
铂铑-铂〔S〕
0——
1300
铂铑-铂铑〔B〕
1600
田千甘W曰训【1昌/PR曰训【1昌面+米
必须有恒温
镍铬-镍硅〔K〕
1000
用于冋温测量、低温测量两大类、
参考点〔如冰点〕
偶
镍铬-康铜〔E〕
――750
铁-康铜〔J〕
-40—
—600
苴
丿、
PN结温度传感器
体积小、灵敏度咼、线性好、一致性差
它
IC温度传感器
线性度好、一致性好
、直流电桥法测量热电阻
把四个电阻Ri,R2,R3,Rt连成一个四边形回路ABCD每条边称作电桥的一个“桥臂〞在四边形的一组对角接点AC之间连入直流电源E,在另一组对角接点BD之间连入平衡指示仪表，B、D两点的对角线形成一
条“桥路〞，它的作用是将桥路两个端点电位进行比拟，当BD两点电位相等时，桥路中无电流通过，指
示器示值为零，电桥到达平衡。
指示器指零，有
UAe=U\[DUbc=UDc,电桥平衡，电流
Ig=0,流过电阻Ri、R的电流
相等，即11=13,同理I2=IRt,因此
R1
R3
Rt—R3
R2
Rt
假设R1R2，那么有：
RtR3
（1）
二、恒电流法测量热电阻
恒电流法测量热电阻，电路如图2所示，
电源采用恒流源，Ri为数值的固定电阻，Rt为热电阻。
Uri为R1上的电压，URt为Rt上的电压，Uri
用于监测电路的电流，当电路电流恒定时那么只要测出热电阻两端电压URt，即可知道被测热电阻的阻值。
当
电路电流为Io,温度为t时，
热电阻
Rt为
URt
R1URt
（2）
IO
UR1
三、Pt100铂电阻温度传感器
PtIOO铂电阻是一种利用铂金属导体电阻随温度变化的特性制成的温度传感器。
铂的物理、化学性能极
稳定，抗氧化能力强，复制性好，易工业化生产，电阻率较高。
因此铂电阻大多用于工业检测中的精密测温
和温度标准。
缺点是高质量的铂电阻（高级别）价格十分昂贵，温度系数偏小，受磁场影响较大。
按IEC标
准，铂电阻的测温范围为-200――650CoXX电阻比W（100）=1.3850时R。
为100Q或10Q时。
称为Pt100铂电阻或Pt10铂电阻。
其允许的不确定度A级为：
±
（0.15C+0.002|t|）。
B级为：
（0.3C+0.005|t|）。
铂电阻的阻值与温度之间的关系，当温度t在-200〜0C之间时，其关系式为：
RtR01AtBt2C（t100C）t3（3）
当温度在0〜650C之间时关系式为：
RtR）（1AtBt2）（4）
（3）、（4）式中Rt、R0分别为铂电阻在温度t、0C时的电阻值，A,B,C为温度系数，对于常用的工业
铂电阻：
372123
A3.9080210/C,B5.8019510/C,C4.2735010/C
在0〜100C范围内Rt的表达式可近似线性为：
RR°
（1At）（5）
（5）式中A1温度系数，近似为3.85X10-3/C,Pt100铂电阻的阻值，其0C时Rt=100Q;
而100C时Rt=138.5Q。
四、热敏电阻（NTC1K）温度传感器
热敏电阻是利用半导体电阻阻值随温度变化的特性来测量温度的，按电阻阻值随温度升高而减小或增
大，分为NTC型（负温度系数）、PTC型（正温度系数）和CTC（临界温度）。
热敏电阻电阻率大，温度系数大，但其非线性大，置换性差，稳定性差，通常只适用于一般要求不高的温度测量。
以上三种热敏电阻特性曲线见图3o
图3
在一定的温度范围内（小于450C）热敏电阻的电阻Rt与温度T之间有如下关系:
（6）式中Rt、Ro是温度为T（K）,To（K）时的电阻值（K为热力学温度单位开）；
B是热敏电阻材料常数，一般
情况下B为2000〜6000K。
对一定的热敏电阻而言，B为常数，对上式两边取对数，那么有：
由（7）式可见，InRt与1/T成线性关系，作InRt—（1/T）曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数B。
五、电压型集成温度传感器（LM35
LM35温度传感器，标准To-92工业封装，其准确度一般为土0.5C。
（有几种级别）由于其输出为电压，
且线性极好，故只要配上电压源，数字式电压表就可以构成一个精密数字测温系统。
内部的激光校准保证了
极高的准确度及一致性，且无须校准。
输出电压的温度系数Kv=10.0mV/C，利用下式可计算出被测温度t（C）:
Uo=Kv*t=（10mV/C）*t
即：
t（C）=UO/10mV（8）
LM35温度传感器的电路符号见图4,Vo为输出端
Q+
图4
实验测量时只要直接测量其输出端电压Uo,即可知待测量的温度。
六、电流型集成温度传感器（AD590）
AD590是一种电流型集成电路温度传感器。
其输出电流大小与温度成正比。
它的线性度极好，AD590
温度传感器的温度适用范围为-55――150C，灵敏度为1卩A/K。
它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、
图5
AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗＞10MQ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。
AD590的工作电压为+4――+30V,测温范围是-55――150C。
对应于热力学温度T,每变化1K，输出电流变化1卩A。
其输出电流Io（卩A）与热力学温度T（K）严格成正比。
其电流灵敏度表达式为：
I3k
In8（9）
TeR
式（9）中k、e分别为波尔兹曼常数和电子电量，R是内部集成化电阻。
将k/e=0.0862mV/K,R=538Q代入（9）
中得到：
-=1.000uA/K（10）
T
在T=0（K）时其输出为273.15卩A（AD590有几种级别，一般准确度差异在土3〜5卩A）。
因此，AD590
的输出电流Io的微安数就代表着被测温度的热力学温度值（K）。
AD590的电流-温度（I-T）特性曲线如图6所示：
图6
其输出电流表达式为:
I=AT+B（11）
式（11）中A为灵敏度，B为0K时输出电流
如需显示摄氏温标（C）那么要加温标转换电路，其关系式为：
PN结温度传感器是利用半导体PN结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测的，实验证明在一定的电
流通过情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。
通常将硅三极管b、c极短路，用b、e极之
间的PN结作为温度传感器测量温度。
硅三极管基极和发射极间正向导通电压Vbe—般约为600mV（25C）,
且与温度成反比。
线性良好，温度系数约为-2.3mV/C,测温精度较高，测温范围可达-50――150C。
缺点是一致性差，互换性差。
通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足（13）式
IIseqU/
kT1
（13）
在常温条件下，且e
qU/KT1时，（13）
式可近似为
IIseqU/kT
（14）
（13）、（14）式中
q1.60210
19;
C为电子电量，
k1.381
1023J/K为玻尔兹曼常数
T为热力学温度;
Is为反向饱和电流;
正向电流保持恒定条件下，PN结的正向电压U和温度t近似满足以下线性关系
【考前须知】
（1）温控仪温度稳定的到达设定的稳定需要的时间较长，一般需要15-20分钟左右，请同学们耐心等待。
（2）鉴于第一点，为节省时间，请同学们合理安排实验步骤。
建议同时进行多种传感器的实验，只要把数字电压表分别测量待测传感器输出即可。
【实验内容】
一、用恒电流法测量Pt100铂电阻的温度特性
插上恒流源，监测R上电流是否为1mA（即Ui=1.00V,Ri=1.00K）。
将控温传感器Pt100铂电阻（A级）,插入干井炉的中心井，另一只待测试的Pt100铂电阻温度传感器插入另一井，，从室温起开始测量，然后开
启加热器，每隔5C控温系统设置一次，控温稳定2min后，按式（0）测量、计算Pt100铂电阻的阻值，到
50C止。
用最小二乘法直线拟合，求出结果。
温度系数A=相关系数r=
二、用恒电流法测量NTC热敏电阻的温度特性
将控温传感器Pt100铂电阻（A级）,插入干井炉的中心井，另一只待测试的NTC1K热敏电阻温度传感器插入另一井，，从室温起开始测试，然
后开启加热器，每隔5C控温系统设置一次，控温稳定2min后按式
（1）测试、计算NTC1K热敏电阻的阻
值。
将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，求出结果。
温度系数B=相关系数r=
【数据处理】
一、用恒电流法测量Pt100铂电阻的温度特性
初始温度定为35C，测得U1=0.999V，即l1=0.999mA，满足实验要求，实验数据如下表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t（C）
35
45
55
65
75
85
95
U（V）
0.112
0.115
0.119
0.123
0.127
0.131
0.135
0.137
0.133
0.13
0.126
0.122
0.118
Rt（Q）
112
115
119
123
127
131
135
137
133
130
126
122
118
表1•恒电流法测量Pt100铂电阻温度特性数据表
[2021-10-1812:
28"
/Graph3"
（2454757）]
LinearRegressionforData1_G:
Y=A+B*X
ParameterValueError
115〞
30405060708090100
图10.降温时Pt100铂电阻t-R曲线图
、用恒电流法测量NTC热敏电阻的温度特性
40
50
60
70
80
90
100
T（K）
313.2
323.2
333.2
343.2
353.2
363.2
373.2
1/TX10-
3.19
3.09
3.00
2.91
2.83
2.75
2.68
0.537
0.356
0.242
0.173
0.096
0.074
0.114
0.153
0.207
0.286
0.403
0.576
Rt（Q）
537
356
242
173
96
74
114
153
207
286
403
576
In（Rt）
6.29
5.87
5.49
5.15
4.84
4.56
4.30
4.74
5.03
5.33
5.66
6.00
6.36
表2•恒电流法测量NTC热敏电阻温度特性数据表
[2021-10-1813:
16"
/Graph5"
图11.升温时NTC热敏电阻1/T-lnR曲线图
ParameterValue
Error
A-6.06457
0.16976
B
3858.49546
57.9645
RSD
NP
0.99944
0.026237
<
0.0001
LinearRegressionforData1_K:
图12.降温时NTC热敏电阻1/T-lnR曲线图
17"
/Graph6"
LinearRegressionforData1_I:
实验小结】
1、实验室的温度传感器比拟贵重，使用时注意轻拿轻放，保护好仪器。
2、实验时温度不宜超过100C，否那么会对仪器内部有影响。
3、实验时将温度传感器插入加热井后，导线不能离加热井口太近，否那么在实验温度较高时有可能烧毁导线。
4、仪器冷却时，先将散热器翻开，然后将温度设置在比拟低的位置，这样降温会比拟快，节约时间。
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