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温度传感技术

实验十三温度传感技术

传感器是一种装置或器件。

国家标准GB7665—87给传感器的定义是：

“能够感受规

定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成〞。

目前，光信息技术已经异军突起，传感器的概念也许将随之开展成为：

能把外界信息转换成光信号输出的器件。

在现代化生产及科学研究工作中，温度量是需要测量和控制的重要参数之一。

测量温度可分为接触式和非接触式两种。

常见的接触式传感器有：

热膨胀、热电势式、热电阻式、PN结型测温传感器、集成温度传感器等。

非接触式测温传感器有：

光学高温传感器、热辐射式温度传感器等。

迄今为止，测量温度通常都是采用间接测量的方法。

即利用一些材料或元件的性能随温度而变化的特征，通过测量该性能参数，而得到被测温度的大小。

本实验就是利用金属电阻铜Rcu50、MF11型2.7KQ半导体热敏电阻、半导体集成温

度传感器AD590，来测试它们的温度特性。

工作原理

一、测温原件的工作原理及其温度特性测试电路

1.铜电阻Rcu50

铜电阻测温原理是基于金属导体的电阻随温度变化的特性，其静态特性〔不考虑时间变动的因素〕温度与电阻值的关系，在-50~150C范围内是线性的，即：

式中，Rt、Ro为铜电阻在温度tC、0C时的阻值；:

-为铜电阻在0C时的温度系数，:

-=4.25X10-3/C，本实验配备的铜电阻Rcu50是Ro=50Q工业上常用的测温元件。

在工业上，将不同R0的Rt~t关系制成不同分度号的分度表，铜电阻的分度号有G、Cu50、Cu100

〔见附录I〕。

只要：

•保持不变，金属电阻Rt将随温度线性地增加，其灵敏度S为：

由此可见，J越大，S也就越大。

2.MF11型2.7KQ半导体热敏电阻

热敏电阻是由一些过渡金属氧化物〔主要用M、C、N、F等氧化物〕要一定的烧结

条件下形成的半导体金属氧化物作为根本材料制做而成，具有P型半导体的特性。

有球

状、片状或圆柱形的敏感元件。

对于一般半导体材料，电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对来说可以忽略。

但上述过渡金属氧化物那么有所不同，在室温内根本上已全部电离，即载流子浓度根本与温度无关，此时主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度升高，迁移率增加，电阻率下降，故这类金属氧化物半导体是

一种具有负温度系数的热敏电阻元件。

其电阻一一温度特性的数学表达式通常可以表示为

Rt=R25exp[B（1/T-1/298）]

式中，R25和Rt分别表示温度为25C和tC时热敏电阻的阻值，T=273+t;B为材料常数，其大小随制作热敏电阻时选用的材料和配方而异，对于某一确定的热敏电阻，B可由实

验上测得的电阻一一温度曲线的数据，用适当的数据处理方法求得。

假设定义丄dR^=:

，那么由⑵式可得:

RtdT

可见，〉随温度降低而迅速增大。

假设取B值为4000K,当T=293.15K（20C）时，〉=-4.5

X10-2k-1，其绝对值是铜电阻温度系数10倍还多，因此，这种测温电阻灵敏度高。

R0的

常用范围一般在几百欧到一百千欧，弓I线电阻影响小，热敏电阻体积也小，因此它适合于测量微弱温度变化、温差及温度场的分布。

3.PN结测温元件

PN结的正向电流I和其两端间的电压V满足以下指数关系：

I=I0[exp（qV/kT）-1]⑶

其中q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T是结温（绝对温度值），I。

是不随电压变化的常数。

在常温（300K）下，KT/q=0.026V,PN结正向电压仅为十分之几伏，那么

exp（qV/kT）1，所以（3）式可写成

I=l0exp（qV/kT）（3'）

晶体管PN结伏安特性随温度变化如图1所示，当其把一个阻值为Rc的负载电阻与PN结串联后接至电压值为Vc的外加电压时，PN结的电压随温度的变化情况就可以由PN结伏安特性和与Vc和R有关的负载线的交点对应的电压值确定。

在实际工作中，一般选用三极管，将集电极与基极短接，使其测量结果与公式（3'）

更加符合。

4.AD590集成温度传感器

集成温度传感器是将温敏晶体管及其外围电路集成在同一单片上的集成化传感器。

AD590是一种输出电流与温度成正比的集成温度传感器，其内部电路结构如图2所示。

据推导，在电源电压的作用下，该电路总的工作电流Io为：

3kIn8

I0⑷

q（R6—R5）

在制做过程中，精确控制R5和R6的阻值，可使⑷式变为

I。

=K°T

式中Ko为测温灵敏度常数，一般为1卩ACo

St妙姑找虫曲抽说度变化

AD590输出电流值只与所处环境的温度有关，几乎与所加的电压无关。

图3是不同

温度下AD590的伏安特性，从该图可知在确定温度下当电源电压大于某一值后，输出电流几乎不变，电源电压在5-15V之间变化时，其影响只有0.2卩A/Vo

AD590伏安特性、温度一一电流特性及由它组成的测温电路如图4和图5所示。

在图4中，把AD590置于恒温环境下〔比方冰点温度或室温〕调节图4的“负压调节〞旋纽，测出AD590在不同工作电压下的Vo值〔AD590的输出电流Io=Vo/Rt〕便可获得AD590在这一温度下的伏安特性的实验数据。

同理，在5~15V的范围内保持AD590

的工作电压不变，改变AD590所在环境的温度值并测出相应的Vo,就可获得AD590的的温度一一电流特性的实验数据。

在图5中，把AD590首先置于0C恒温环境下，调节W2使V。

=0,然后改变AD590的环境温度为100C,调节W3使Vo=loOmV，便可完成测温电路的定标工作。

值得注意的是，如果以上两种恒温环境是靠冰水混合和加热水到沸腾状态的方法获

得，千万不能把AD590探头直接浸入水中，因为水中含有导电杂质，在AD590两端会

有电流流过，既使有很微弱的电流，也会影响定标工作的准确性。

这种情况下，必须把

1•电路结构

为了使温度传感器与计算机数据采集系统进行有效联接，需要温度传感器的输出电压的电位较高，在传感器测温范围的最高温度点，输出电位应与TTL电位匹配。

为此需

要用温度一一电压变换电路把温度传感元件与计算机连接起来，本实验仪器配置的温度――电压变换电路如图6（a）所示。

它是由含热敏元件的桥式输入电路及差分运放电路组

成。

当热敏元件所在环境温度变化时，差分放大器的输入信号及其输出电压都要发生变化。

传感器输出电压V。

随检测元件环境温度t变化的关系称温度传感器的电压一一温度特性。

BB——电压变换电幽II理冏廉箕割｛电齬

2•半导体热敏电阻电路参数的设计原理

下面以半导体热敏电阻作为测温元件为例分析电压一一温度变换电路参数的设计原理。

为了定量分析这种变换电路的电压一一温度特性可利用电路理论中的戴维南定理把图6（a）所示的电路变换成图6（b）所示的等效电路，在图6（b）中：

RiRt

LRt

Rgi

Esi=V。

⑹

RiRt

RiRt

它们均与温度有关；而

Rg2

R2R3

Es2R3V。

⑺

R2R3

R2R3

此处的Vi+为Es2单独作用时运放电路同相输入端的对地电压。

由于运放电路输入阻抗很大，故

ViEs2Rt⑽

Rs+住2+R

把以上结果代入⑻式，并经适当整理得：

RtRs*Rqj*Rt

Vo〔Es2-Esi〕〔11〕

Rs+Rg1Rs+Rg2+Rt

由于上式中Rgi和Esi与温度无关，所以该式就是温度传感器的电压一一温度特性的数学表达式，只要电路参数和热敏元件Rt的电阻一一温度特性，〔11〕式所表达的输出电压

与温度的函数关系就完全确定。

一般情况下，1式表达的函数关系是非线性的，但通过适中选择电路参数可以使得这一关系和一直线关系近似。

这一近似引起的误差与传感器的测温范围有关。

设传感器的测温范围为ti〜t3C，贝Ut2=〔ti+t3〕/2就是测温范围的中值温度。

假设对应ti、t2和t3三个温度值，传感器的输出电压分别为V0i、乂2和V〕3。

所谓传感器电压一一温度特性的线

性化就是适中选择电路参数使得这三个测量点在电压一一温度坐标系中落在通过原点的直线上即要求：

Voi=0,V02=V03/2,V03=V3〔12〕

在图6〔a〕所示的传感器电路中需要确定的参数有七个，即Ri、R2、R3、Rt和Rs的阻

值、电桥的电源电压Va和传感器的最大输出电压V3,这些参数的选择和计算可按以下原那么进行：

1〕当温度为tiC值时，电路参数应使得Vo=Voi=0,这时电桥应工作于平衡状态和差

分运放电路参数应处于对称状态，即要求Ri=R2=R3=Rti〔热敏电阻在温度时的阻值〕，但

为了充分利用成品电阻元件，通常选取R2=R3=Ra,Ri=Rti,此处Ra为阻值最接近Rti的

电阻元件的系列值。

2〕为了尽量减小热敏电阻中流过的电流所引起的发热对测量结果带来的影响，Va的

大小不应使Rt中流过的电流超过imA。

3〕传感器的最大输出电压V3的值应与后面联接的显示仪表相匹配，例如为了使测量

仪表的指示与被子测温度的数值一致，要求V3在数字上与测温范围〔t3-11〕的数字一致。

4〕最后两个电路参数Rs和Rt的值可按2式所表示的线性化条件的后两个关系式确

定，即

其中RGii、Esii（i=1,2,3）是热敏电阻Rt所处环境温度为ti时按⑹式计算得的Rgi和Esi

值，当电桥各桥臂阻值、电源电压Va和热敏电阻的电阻一一温度特性以及传感器最大输

出电压V后，在（13）、圍两式中除艮、Rt外其余各量均具有确定的数值，这样只要联

立求解（13）、（14）两式就可求出Rs和Rt的值。

然而（13）、（14）两式是以艮和Rt为未知数的二元

二次方程组，其解很难用解析的方法求出，必须采用数值计算技术。

因为（13）和4式每个方程式在（Rs、Rt）直角坐标系中都对应着一条二次曲线，两条二次

曲线交点的坐标值即为这个联立方程组的解。

这个解可以利用叠代法求得。

为此，把（13）和4式化成分别以Rs和Rt为未知数的一元二次方程式的标准形式：

ARt2BRC=0（13/）

（14/）

A/Rt2B/RtC，=0

其中A、B、C是与Rs有关的系数，A、B，和C是与Rt有关的系数。

先令Rs=0代入（13,）式，由（13,）式求出一个Rt值，然后把这一Rt值代入（14，）式，并由（14，）式求出一个新的Rs值，再代入（13，）式〞，如此反复叠代，直到在一定的精度范围内可认为相邻两次算出的Rs和Rt值相等为此。

热敏元件电阻一一温度曲线测定和Va、V3及电路参数确定后，传感器由（11）式所表达

的电压一一温度特性的函数关系Vo（t）就完全确定，虽然在电路参数的选择上保证了与t1、

t2和t3°C对应的三个测量点在（Vo,t）平面上落在通过原点的同一直线上，但在整个测温范围内，1式所表达的电压一一温度特性不是一条直线而是一条如图7所示的“s〞曲线。

在此情形下，假设在传感器的输出端用刻度均匀的电压表头来显示温度值，就相当于用上

述直线关系代替1式所表达的曲线关系。

除t1、t2和t3C三个温度值外，对于其余各点,

这一替代均存在着由于传感器电压——温度特性的非线性引起的误差，根据图7所示的关系，在理论上计算这一误差的公式可