热学综合实验.docx
《热学综合实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热学综合实验.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
热学综合实验
温度传感器温度特性研究与应用
摘要：
测量PT100、PN结、LM35、负温度系数热敏电阻的温度特性并绘制温度特性曲线。
同时利用LM35设计一个简易的温度测试和控制温度的电路。
关键词：
温度特性，温度传感器，测温，控温。
引言：
温度是一个重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科学及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果也是至关重要的，所以温度传感器的应用更是十分广泛的。
【实验原理】
温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。
常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见表1。
本实验将通过测量几种常用的温度传感器的特征物理量随温度的变化，来了解这些温度传感器的工作原理。
表1常用的温度传感器的类型和特点
类型
传感器
测温范围
（°C）
特点
热电阻
铂电阻
−200~650
准确度高、测量范围大
铜电阻
−50~150
镍电阻
−60~180
半导体热敏电阻
−50~150
电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差
热电偶
铂铑-铂（S）
0~1300
用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒
温参考点（如冰点）
铂铑-铂铑（B）
0~1600
镍铬-镍硅（K）
0~1000
镍铬-康铜（E）
−20~750
铁-康铜（J）
−40~600
其
PN结温度传感器
−50~150
体积小、灵敏度高、线性好、一致性差
IC温度传感器
−50~150
线性度好、一致性好
1．Pt100铂电阻温度传感器
Pt100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。
铂的物理性质、化学性质都非常稳定，抗氧化能力强，复制性好，容易批量生产，而且电阻率较高。
因此铂电阻大多用于工业检测中的精密测温和作为温度标准。
显著的缺点是高质量的铂电阻价格十分昂贵，并且温度系数偏小，由于其对磁场的敏感性，所以会受电磁场的干扰。
按IEC标准，铂电阻的测温范围为−200°C~650°C。
每百度电阻比
W（100）=1.3850，当R0=100Ω时，称为Pt100铂电阻，R0=10Ω时，称为Pt10铂
电阻。
其允许的不确定度A级为：
±（0.15°C+0.002
t）。
B级为：
±（0.3°C+0.05
t）。
铂电阻的阻值与温度之间的关系,当温度t=−200°C~0°C之间时，其关系式为：
（1）
当温度在t=0~650°C之间时关系式为：
（2）
（1）、
（2）式中Rt,
R0分别为铂电阻在温度t°C,
0°C时的电阻值，A,
B,C为温度
系数，对于常用的工业铂电阻：
A=3.90802×10−3（°C）−1
B=−5.80195×10−7（°C）−1
C=−4.27350×10−12（°C）−1
在0°C~100°C范围内Rt的表达式可近似线性为：
（3）
−3
（3）式中A1温度系数，近似为3.85×10
Rt=100Ω；而100°C时Rt=138.5Ω。
（°C）−1
，Pt100铂电阻的阻值，其0°C时，
2.热敏电阻（NTC,
PTC）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1。
在一定的温度范围内（小于450°C）热敏电阻的电阻Rt与温度T之间有如下关系：
（4）
（4）式中
R0是温度为T（K）,T0（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，则有
（5）
由（5）式可见，lnRT与1/T成线性关系，作lnRT~（1/T）曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数B。
3．电压型集成温度传感器（LM35）：
LM35温度传感器，标准T0−92工业封装，其准确度一般为±0.5°C。
（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）：
即：
（6）
LM35温度传感器的电路符号见图2，Vo为输出端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。
4.PN结温度传感器：
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一般约为600mV（25°C），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°C~150°C。
缺点是一致性差，所以互换性差。
通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足（11）式
（7）
在常温下，且
时，（11）式可近似表示成：
）（8）
（7）（8）式中：
当正向电流保持恒定骑骑情况下，PN结的正向电压U和温度t近似满足下列线性关系：
（9）
式中
为半导体材料参数，
为PN结的结电压温度系数。
【实验内容】
5
1．用直流电桥法测量Pt100金属的电阻的温度特性：
按图6接线。
在环境温度高于摄氏零度时，先把温度传感器放入致冷井中，利用半导体致冷把温度降到0°C，并以此温度作为起点进行测量，每隔10°C测量一次，直到需要待测温度高于环境温度时，就把温度传感器转移到加热干井中，然后开启加热器，控温系
统每隔10°C设置一次，待控温稳定2min后，调节电阻箱R3使输出电压为零，电桥平衡，则按式
（1）测量、计算待测Pt100（Cu50）铂电阻（铜电阻）的阻值，R3为五盘十进精密电阻箱（用户自备），数据记入表中
表1−1
Pt100温度特性测试数据表格
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
t（°C）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
RX（Ω）
Rt（Ω）
将测量数据RX（Ω）用最小二乘法直线拟合，求出结果。
2．用恒电流法测量NTC热敏电阻的温度特性：
如图7所示，接通电路后，先监测R1上电流是否为1mA
即测量UR1，
（U1=1.00V,R1=1.000kΩ）。
在环境温度高于摄氏零度时，先把PTC（orNTC）热敏电阻放入致冷井，操作方法同上。
控温稳定2min后按式（4）测试热敏电阻的阻值。
数据记入表2中：
表2NTC热敏电阻温度特性测试数据表格
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
t（°C）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Rt（Ω）
lnRT与1/T成线性关系，作lnRT~（1/T）曲线，用直线拟合，由斜率可求出材料常数B和r
3．电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试：
按图8接线，操作方法同上，待温度恒定2min测试传感器（LM35）的输出电压，数据记入表3：
表3LM35温度特性测试数据表格
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
t（°C）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
U0（V）
将表格中数据用最小二乘法进行拟合求出A和r。
。
4．PN结温度传感器温度特性的测试：
注：
实际的PN结传感器只有黄线和黑线，其中黄线接电压表正极
按图10接线，每隔10°C控温系统设置一次，待控温稳定2min后，进行PN结正向导通电压Ube的测量，结果记入表中。
（
用最小二乘法直线拟合，求出结果。
【注意事项】
温控仪温度稳定地达到设定值所需要的时间较长，一般需要10~15min左右，务必耐心等待。
【实验数据及数据处理结果】
第一次实验结果
1.PT100铂电阻温度传感器
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t℃）
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
122.7
124.6
126.1
128.6
131.4
132.9
134.7
136.9
138.5
139.6
147.0
148.4
149.9
122.7
124.6
126.1
128.6
131.4
132.9
134.7
136.9
138.5
139.6
147.0
148.4
149.9
数据处理结果:
温度系数A=0.4582，相关系数为0.9891
2.用恒流法测量NTC热敏电阻的温度特性
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t℃）
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
3050
2000
2500
2050
1750
1400
1190
070
930
800
690
600
510
8.0029
7.8633
7.8240
7.6256
7.4674
7.2442
7.0817
6.9754
6.8352
6.6846
6.5367
6.3969
6.2246
数据处理结果：
材料常数B=-0.03023相关系数r=0.9980
3.电压型集成温度传感器（LM35）温度特性曲线的测试
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t℃）
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
206.0
251.6
344.0
389.0
392.2
440.3
485.4
534.0
584.0
631.6
678.9
725.6
773.4
数据处理结果：
A=9.9142相关系数r=0.9963
4.PN结温度器温度特性的测试
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t/℃
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
630.2
620.2
610.0
598.7
588.0
577.1
566.4
556.0
545.5
535.0
524.0
515.1
506.2
数据处理结果：
A=-2.1相关系数r=0.9998
第二次实验结果
注：
第二次测量时总结了第一次测量过程中存在的问题和不规范操作
1.PT100铂电阻的温度特性
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t℃）
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
130.2
131.7
133.5
135.6
137.6
139.0
141.7
143.4
144.6
145.9
148.8
151.3
153.4
130.2
131.7
133.5
135.6
137.6
139.0
141.7
143.4
144.6
145.9
148.8
151.3
153.4
数据处理结果：
温度系数A=0.3821相关系数为0.9980
2.恒流法测量NTC热敏电阻的温度特性
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t℃）
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
3500
2900
2500
2100
1800
1500
1300
1100
950
800
700
600
500
8.1605
7.9725
7.8240
7.6497
7.4953
7.3132
7.1701
7.0030
6.8586
6.6846
6.5511
6.3969
6.2416
数据处理结果：
材料常数B=-0.03201相关系数r=0.9997
3.电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t℃
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
206.0
251.6
296.7
344.8
392.0
439.3
488.0
535.8
583.3
630.0
681.0
728.9
776.3
数据处理结果：
A=9.539相关系数r=0.9999
4.PN结温度传感器的温度特性的测试
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
t/℃
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
629.6
620.5
610.0
600.0
590.8
580.2
569.9
559.6
548.8
538.6
527.7
517.5
507.0
数据处理结果：
A=-2.053相关系数r=0.9998
【实验结果分析】
第一次实验时由于经验不足，在实验过程中存在着一些问题，如未等到加热或者制冷箱中的传感器没有温度设定值时就开始测量（这是由于没有耐心等待所致）。
在测量NTC的温度特性时，由于操作失误没有在测量时监测电流，导致测量过程中电流可能带来变化从而对实验结果产生影响。
在测量PN结时，发现实际的PN结只有黄线和黑线，经过简单的测试发现，黄线应该接电压表的正极。
第二次实验时吸取了第一次实验的教训，避免了第一次实验时出现的问题，所以测量的结果误差较小。
再用MATLAB处理后也能明显发现第二次实验数据更加接近理论情况。
而且拟合得到的曲线的相关系数也较大。
总体来说第二次试验比较成功。
【设计实验】
在这里用LM35设计了一个简易的测量温度和控制温度的集成电路。
电路图如下：
升级会员 