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温度传感器
关于温度传感器的探究
摘要：
温度传感器能将热能转化为电能，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。
通常把被测温度变化转化为敏感元件的电阻变化、电动势的变化，在经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温度变化。
[1]
关键词：
温度传感器；实验；HD-SJ5实验装置；应用
Explorationabouttemperaturesensors
Abstract:
Temperaturesensorscanconvertheatintoelectricenergy,ittakesadvantageofthecharacterthatsensitivepartstoreachatthepurposeofmeasurement,itcantransformthealterationoftheresistanceorelectronofthesensitiveparts.Exportingvoltageorcurrentviarelevantmeasurablecircuit.thenitcandetectobject'schangeoftemperaturewiththeseparameters.
Keywords:
temperature;experiment:
HD-SJ5experimentdevices;application
引言
随着科学技术的发展，各个领域都有了突飞猛进的发展。
温度传感器领域也不例外，并因为其他技术的发展，其本身也得到的极大的补充。
在现实生活中，我们也时时刻刻感受到温度传感器给我们到来的便利。
在家用电器中，运用特别广泛，温度传感器广泛应用于家用电器（微波炉、空调、油烟机、吹风机、烤面包机、电磁炉、炒锅、暖风机冰箱、冷柜、热水器、饮水机、洗碗机、消毒柜、洗衣机、烘干机以及中低温干燥箱、恒温箱等场合的温度测量与控制等）、医用/家用体温计，便携式非接触红外温度测温仪等等许多方面；此外，在汽车行业运用也相当普遍，温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。
为了更进一步了解有关温度传感器的知识，探究其奥秘，笔者做了一系列有关这方面的实验。
1、实验测量
实验1热电阻特性实验[5]
实验目的
1、研究Pt100铂电阻、Cu50铜电阻和热敏电阻（NTC和PTC）的温度特性及测温原理。
2、研究比较不同温度传感器的温度特性以及测温原理。
3、掌握实验中单片机在温度实时控制、数据采集、数据处理等方面的应用。
实验原理
1、Pt100铂电阻的测温原理
金属铂的电阻值随温度的变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性。
铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，Pt100铂电阻的阻值随温度的变化而变化计算公式：
（1）
（2）
测量铂电阻用三线制，测量的铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当电路平衡时，通过计算可知：
（3）
2、热敏电阻特性原理
热敏电阻是阻值对温度变化很敏感的一种半导体电阻，它有负温度系数和正温度系数两种。
负温度系数的热敏电阻的电阻率随着温度的升高而降低，正温度系数的热敏电阻的电阻率随着温度的升高而升高。
在一定范围内，半导体的电阻率ρ和温度T的关系如下：
（4）
3、Cu50铜电阻的温度特性原理
铜电阻是利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。
实验仪器
九孔板，DH-VC1直流恒压源恒流源，DH-SJ型温度传感器实验装置，数字万用表，电阻箱。
实验内容与步骤
1、用万用表直接测量法
1）将温度传感器直接插在温度传感器实验装置的恒温炉中。
在传感器的输出端用数字万用表直接测量其电阻值。
本实验的热敏电阻NTC温度传感器25℃的阻值5KΩ；PTC温度传感器25℃的阻值350Ω。
2）在不同的温度下，观察Pt100铂电阻、热敏电阻（NTC和PTC）和Cu50铜电阻的阻值的变化，从室温到120℃（注：
PTC温度实验从室温到100℃。
），每隔5℃（或自定度数）测一个数据，将测量数据逐一记录在表格内。
3）以温标为横轴，以阻值为纵轴，按等精度作图的方法，用所测的各对应数据作出RT－t曲线。
4）分析比较它们的温度特性。
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
R/Ω
110.78
112.01
113.80
115.09
116.92
120.20
121.75
123.52
125.48
127.28
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
温度
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
R/Ω
128.26
130.16
132.22
134.02
135.86
137.60
139.82
142.23
144.12
145.94
表一Pt100铂电阻数据记录室温16.8˚C
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
R/Ω
4587
3795
3168
2591
2324
1986
1697
1412
1203
1025.1
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
温度
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
R/Ω
850.7
727.7
618.2
532.9
495.5
408.2
373.7
329.1
284.7
251.8
表二负温度系数热敏电阻数据记录室温16.8˚C
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
R/Ω
401.7
404.4
411.1
424.6
433.1
462.8
491.2
540.7
596.1
698.0
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
温度
75
80
85
90
95
100
R/Ω
855.5
1133.5
1518.0
2397
5198
11601
表三正温度系数热敏电阻数据记录室温16.8˚C
表四Cu50铜电阻数据记录室温16.8˚C
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
R/Ω
55.43
56.32
57.48
58.36
59.42
61.05
62.03
62.91
63.81
64.92
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
温度
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
R/Ω
65.66
66.61
67.79
68.90
69.88
70.91
71.50
72.62
73.64
74.61
数据分析及结论
Pt100的R--t图图一
NTC的R--t图图二
PTC的R--t图图三
Cu50的R--t图图四
由图表可知在一定范围内，Pt100和Cu50的阻值随着温度的增加呈线性变化，而NTC和PTC的变化规律是以指数和对数的规律变化的。
以上四组数据与参考数据比较知，在误差范围内，实验数据是符合正确结论。
导致一些误差的原因有以下可能原因：
1、保温时间不是足够长；2、可能是仪器因时间久了，老化了，测量有一些误差。
实验二热电偶温差电动势测量与研究[5]
实验目的
1、研究热电偶的温差电动势
2、学习热电偶测温的原理及其方法
3、学习热电偶定标
4、学习运用热电偶传感器设计测温方法
实验原理
热电偶亦称温差电偶，是由A、B两种不同材料的金属丝的端点彼此紧密接触而组成的。
当两个接点处于不同温度时，在回路中就有直流电动势产生，该电动势称温差电动势或热电动势。
当组成热电偶的材料一定时，温差电动势Ex仅与两接点处的温度有关，并且两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式：
EX≈α（t-t0）
（1）
测量温差电动势如图所示，通常将冷端置于冰水混合物中，保持t0=0℃，将热端置于待测温度处，即可测得相应的温差电动势，再根据事先校正好的曲线或数据来求出温度t。
图一
实验仪器
九孔板，DH-VC1直流恒压源恒流源，DH-SJ型温度传感器实验装置，数字万用表。
实验内容和步骤
1、对热电偶进行定标，并求出热电偶的温差电系数α0。
2、用实验方法测量热电偶的温差电动势与工作端温度之间的关系曲线，称为对热电偶定标。
（1）按图所示原理连接线路，注意热电偶的正、负极的正确连接。
将热电偶的冷端置于冰水混合物中之中，确保t0=0℃。
测温端直接插在恒温炉内。
（2）测量待测热电偶的电动势。
3、实验注意事项
（1）传感器头如果没有完全侵入到冰水混合物中，或接触到保温杯壁会对实验影响。
（2）传感器头如果没有接触恒温炉孔的底或壁，会对实验产生影响。
（3）加了铠甲封装的要比未加铠甲封装的热电偶误差要大。
热电偶定标数据记录
表一室温19˚CEnt=0.37Mmvt0=0˚C
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
温度
30
40
50
60
70
80
90
100
90
电动势/v
1.14
1.54
1.96
2.35
2.75
3.21
3.66
4.05
3.61
序号
10
11
12
13
14
15
16
17
18
温度
80
70
60
50
40
30
电动势/v
3.25
2.78
2.30
1.95
1.55
1.12
数据分析及结论
图二
热电偶V-T图
1、由数据及图表分析知，在误差范围内，热电偶的电动势随着温差的上升呈线性变化。
当温度从低到高，再从高到低返回时，在误差范围内它们的变化规律一样。
2、求热电偶的温差系数α：
在直线上取两点a（4.05,100），b（1.14,30）
（2）
实验三集成温度传感器[5]
实验目的
1、研究常用集成温度传感器的测量原理，及其温度特性。
2、学习用集成温度传感器设计测温电路。
3、比较常用的温度传感器与常用的集成温度传感器的温度特性。
实验原理
集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：
（1）（
一、集成温度传感器电流型AD590图一
AD590的应用电路
1）基本应用电路
如图AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。
因为
流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R为
1k时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。
但由于
AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路
进行调整。
调整的方法为：
把AD590放于冰水混合物中
，调整电位器R2，使V0=273.2mV。
或在室温下（25℃）
条件下调整电位器,使V0=273.2+25=298.2（mV）。
但
这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。
二、集成温度传感器电压型LM35
LM35集成温度传感器，其输出电压值与摄氏温标呈线性关系，在0℃时其电压输出为0V，温度每升高1℃时其电压输出就增加10mV。
在常温下，LM35不需要额外的校准处理，其精度就可达到±1/4℃的准确率。
LM35的测温范围是－55℃～150℃。
图二
实验仪器:
九孔板，DH-VC1直流恒压源恒流源，DH-SJ型温度传感器实验装置，数字万用表。
实验内容和步骤
1、了解温度传感器AD590的引脚及其功能。
2、了解温度传感器AD590用于测量热力学温度的基本应用电路接线。
3、通过温控仪加热，在不同的温度下，观察温度传感器AD590的变化，从室温到120℃，每隔5℃测一个数据，将测量数据逐一记录在表格内。
4、了解温度传感器LM35的引脚及其功能。
5、根据R1=-Vs/50uA关系式，自行选着取样电阻R1和电源电压Vs。
例如：
电源电压Vs=5V，则-Vs=-5V；根据R1=-Vs/50uA关系式，R1=100KΩ，R1的阻值可以用99KΩ电阻与2.2KΩ电位器串联来实现。
6、通过温控仪加热，在不同的温度下，观察温度传感器LM35的变化，从室温到120℃，每隔5℃（或自定度数）测一个数据，将测量数据逐一记录在表格内。
7、以温标为横轴，以电压为纵轴，按等精度作图的方法，用所测的各对应数据作出V-t曲线。
表一AD590数据记录室温20.5℃
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
V
0.2982
0.3036
0.3089
0.3141
0.3196
0.3248
0.3302
0.3355
0.3407
0.3458
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
温度
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
V
0.3501
0.3564
0.3620
0.3675
0.3721
0.3773
0.3828
0.3880
0.3934
0.3987
表二LM35数据记录室温20.5˚C
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
V
0.2602
0.3103
0.3613
0.4149
0.4649
0.5185
0.5712
0.6219
0.6752
0.7230
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
温度
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
V
0.7750
0.8296
0.8793
0.9340
0.9805
1.0316
1.0832
1.1345
1.1857
1.2370
数据分析及结论
图三AD590V-t曲线
图四LM35V-t曲线
由数据及图表可知，在误差范围内，AD590和LM35的阻值随着温度的增加呈线性增加。
两者不同之处在于AD590的曲线较平缓，随温度的变化缓慢一些；而LM35的曲线更陡，随温度变化更加明显。
二、一些传感器的应用
1、NTC和PTC热敏电阻的原理及应用[3]
1、在测温方面的应用
热敏电阻具有比较大的电阻温度系数，因而利用热敏电阻器组成的线路来测量温度，可比一般电气测量仪表具有更高的灵敏度。
2、在温度补偿方面的应用
温度补偿的工作原理是利用热敏电阻温度特性来补偿电路某些具有负温度系数的元件，从而改善该电路对环境温度变化的适应能力。
3、在温度控制线路中的应用
热敏电阻器在大负载工作时，在电路中产生继电效应。
利用热敏电阻器的这种效应，可以用在热控制系统和火灾报警设备中作灵敏元件。
在温度控制器中，热敏电阻器常和继电器连用。
把热敏电阻器放在要控制的地方，当温度变化时，引起热敏电阻值变化，发生继电效应，电流雪崩式的增加，该电流经过放大流进继电器，使之工作，从而达到控制温度的目的。
2、热电阻传感器的应用[4]
1、热电阻测温
热电阻作为测温元件时，是将温度的变化转化为电阻的变化，也就是将温度的测量转化为电阻测量。
2、热电阻流量计
利用被加热物体的冷却率来求流速的流量仪表。
组成电桥两个臂的热电阻都由铜丝绕制并由电热元件进行旁热。
流体自导流管上的流入孔进入而自流出孔流出，补偿元件周围的介质仍处于静止状态，由电桥输出电阻得到流体流速。
与现有的热线风速计相比，其主要优点是特别适用于工矿企业中液体或气体的大流量计量。
该流量计体积小重量轻成本低，使用方便费用省。
图一
实验室再现------简易流量计的制作
1、实验器材
一根长20cm，直径大约是3cm的塑料管、软管一根、两个阻值相同的电阻、两个相同的热敏电阻、滑动变阻器一个、两个相同的加热元件、一个灵敏电压表、电源、开关一个、导线若干、流体测速计一个
2、实验步骤
1、连接电路图如图一所示，将两个热敏电阻与两个加热元件分别放在一起，用来对热敏电阻加热。
2、在塑料管上合适的位置上打两个小孔，将一个热敏电阻和一个加热元件放进管中，将导线从小孔中引出；另一个热敏电阻则放在静止的水中。
3、将塑料管用软管连接在水管上，并在塑料管中放入一些水。
一段时间后，调节滑动变阻器，使灵敏电压表的示数为零。
4、慢慢水龙头开关，由于水的流速的逐渐增加，在塑料管中的热敏电阻的温度会慢慢降低，这样在灵敏电压表之间的电压就会逐渐增大，并通过灵敏电压表显示出来。
5、将水龙头开到最大，用测速计测出从塑料挂中流出的水的速度，通过
（1）
V一流量；v一水流速度；d一塑料管直径。
算出流量，并在灵敏电压表上作上标记。
由前面的实验得出，热敏电阻的阻值随温度的变化呈线性变化。
因此，灵敏电压表两端的电压与流量呈线性关系，所以我们就可以在灵敏电压表上将表盘等分，分别表示不同的流量数值。
6、通过已经做好的简易流量计就可以测试不同的水流速度及流量。
3、热电偶的应用
热电偶广泛应用于石油、化工、钢铁、玻璃、陶瓷、食品、制药、有色金属、军事、航天等领域，在生产过程中测量-200~~2800度的温度参数。
[2]
对于热电偶，作者有一些想法。
在北方的冬季，路面上会结上大量的冰，其危害不言而喻，人们也想了大量的办法来处理这些问题。
但是这需要耗费大量的人力、物力、财力，并且往往效果不是很好。
因此，作者想用热电偶来解决这一问题。
解决方法如下：
将两种不同金属连接起来，将测温端放在温度比较高的地方，冷端放在很冷的地方，它们之间用电阻丝连接，并将其铺在结冰的道路上，利用冷端和热端之间的电动势，通过电阻丝加热，产生一定的热量将冰融化。
实验再现-------简易融冰装置图二
1、实验器材
一根铜-康铜热电偶、一台恒温加热器、一段电阻丝、两个杯子、适量冰块、若干导线
2、实验步骤
1、连接电路如图所示。
2、将热电偶测温端放在恒温装置中，保持较高温度，将电阻丝放在另一个装有冰块的杯子中。
3、一段时间后观察放电阻丝的杯子中冰块的融化情况。
参考文献：
[1]黄鸿,陈杰.传感器与检测技术.北京高等教育出版社.2010.第98页
[2]高晓蓉.传感器技术.西南交通大学出版社.2003.第135页
[3]王华祥,张淑英.传感器原理及应用.天津大学出版社.2002.157-158
[4]周继明,江世明.传感器技术与应用.中南大学出版社.2004.第182页
[5]实验报告说明书
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