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温度传感器特性论文课件
摘要
本课题通过实验对不同类型的半导体PN结器件进行正向压降与温度特性的测量，获取实验数据，通过整理、分析、比较、综合实验数据，从中比较各器件灵敏度，线性度的优劣，为温度传感器选择提供依据。
主要分析了不同型号的二极管的温度特性，不同型号的四种温度传感器的探究，各种型号的不同参数在一定的条件下随温度的变化关系，主要测量的传感器有：
铂电阻；半导体热敏电阻；PN结；AD590等。
关键词
铂电阻；半导体热敏电阻；PN结；（AD590）；温度传感器
绪言
传统的温度计在测量的过程中，往往有一定的限制性，不容易测量，而且很容易产生误差，测量结果往往不准确。
在有些医疗和工业复杂的环境中，传统的温度计无法完成测量任务。
而温度传感器的出现，对温度的测量带来了一定的便利性和可操作性。
温度传感器是检测温度的器件，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，其种类多，发展快。
温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。
接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等，利用其产生的热电动势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度，被广泛用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工业测量、通信设备等．另外，还有一些新开发研制的传感器，例如，有利用半导体PN结电流/电压特性随温度变化的半导体集成传感器；有利用光纤传播特性随温度变化或半导体透光随温度变化的光纤传感器；有利用弹性表面波及振子的振荡频率随温度变化的传感器；有利用核四重共振的振荡频率随温度变化的NQR传感器；有利用在居里温度附近磁性急剧变化的磁性温度传感器以及利用液晶或涂料颜色随温度变化的传感器等。
非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度，有利用半导体吸收光而使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器．非接触传感器广泛用于接触温度传感器、辐射温度计、报警装置、来客告知器、火灾报警器、自动门、气体分析仪、分光光度计、资源探测等。
本实验将通过测量几种常用的接触式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。
目录
一.各种温度传感器的原理
1.1铂电阻4
1.2半导体热敏电阻4
1.3PN结5
1.4D5905
二.各温度传感器的实验研究6
2.1实验情况介绍6
2.2实验数据与数据分析6
2.2.1铂电阻随温度的变化关系6
2.2.2半导体热敏电阻随温度变化关系7
2.2.3PN结正向电压随温度变化关系9
2.2.4AD590输出电流与温度变化的关系10
三.结论11
四.参考文献11
一.各种温度传感器的原理
1.1铂电阻
因其测量范围广，复现性好，性能稳定等优点而在中温（-200℃—650℃）范围内得到广泛应用。
1铂电阻的非线性特性铂电阻测温原理是：
铂电阻的阻值与温度成一定的函数关系。
在-200℃—0℃之间，其阻值与温度符合下面的函数关系：
Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100）t3]
在0—650℃之间，其阻值与温度符合下面的函数关系：
Rt=R0（1+At+Bt2）
其中Rt和R0分别表示铂电阻在t℃和0℃时的阻值，A=3.90802×10-3；B=-5.80195×10-7,；C=-4.27350×10-12。
由此可见，在0℃—650℃之间存在非线性项。
由可知，该函数曲线是一条单调上凸曲线，也即铂电阻的阻值与温度之间不是线性关系，这就要求我们在实际应用铂电阻时要考虑到铂电阻传感器的线性化校正问题。
1.2半导体热敏电阻
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。
热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。
在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。
目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。
热敏电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。
当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。
负温度系数热敏电阻非常适用于高精度温度测量。
要确定热敏电阻周围的温度，可由公式：
T=1/（A0+A1（lnRT）+A3（lnRT3））
确定。
其中，T为开氏温度；RT为热敏电阻在温度T时的阻值；而A0、A1和A3则是由热敏电阻生产厂商提供的常数。
1.3PN结
PN结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧等特点，尤其是在温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时信号处理等方面，乃是其他温度传感器所不能相比的，其应用势必日益广泛。
目前结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组合成一块集成电路。
其工作温度一般为-50℃—150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓PN结可以展宽低温区或高温区的测量范围。
八十年代中期我国就研制成功以Sic为材料的PN结温度传感器，其高温区可延伸到500℃，并荣获国际博览会金奖。
二极管的ｐｎ结温度特性晶体管二极管的ｐｎ结正向压降与工作温度基本成线性下降关系已早为人们所知,其正向压降与工作温度之间的关系近似地可用式表示
VＦ=Vｇ0-kTq[lnB+ylnＴ-lnIF]
式中:
T和VF分别为工作温度和该温度下的二极管正向压降;Vｇ0为材料在外推0下的禁带宽度;ｋ为波尔兹曼常数:
1380662×10-23Ｊ/Ｋ;ｑ为电子电荷:
16021892×10-19Ｃ;Ｂ为由材料参数和工艺参数决定的与温度无关的器件常数;y为与迁移率有关的常数;IF为通过二极管的工作电流。
1.4AD590
AD590温度传感器输出电流特性研究AD590温度传感器是由多个参数相同的三极管和电阻组成。
当器件两端加有某一定直流工作电压时（一般工作电压在4.5V～20.0V范围内）。
它的输出电流I与温度
满足如下关系：
式中：
I为输出电流，
为摄氏温度，单位℃。
A为摄氏零度时的电流值，其值恰好与冰点的热力学温度273K相对应。
B为斜率，单位
℃-1，即如果该温度传感器的温度升高或降低1℃，传感器的输出电流增加或减少1
。
二.各温度传感器的实验研究
2.1实验情况介绍
在实验前，连好电路图，在对实验装置逐渐加温，由于实验条件的限制，将各装置加热到120度左右，探究室温到120度之间其物理特性的变化趋势。
不过实验中会有一定的误差存在，有些是实验仪器和设备造成的不可避免的。
有些则是环境影响所致。
无法避免。
所以在一定的误差范围内，实验结果是正确的。
2.2实验数据与数据分析
2.2.1铂电阻随温度的变化关系
数据记录表：
温度T（℃）
17.2
22.2
27.2
32.2
37.2
42.2
47.2
52.2
57.2
62.2
67.2
电阻R（Ω）
107.00
109.20
110.84
112.95
114.79
116.63
118.70
120.62
122.47
0.00
126.53
温度T（℃）
72.2
77.2
82.2
87.2
92.2
97.2
102.2
107.2
112.2
117.2
电阻R（Ω）
128.50
130.31
132.42
134.23
135.97
138.04
139.84
143.65
145.36
146.48
电阻与温度的关系图：
通过处理实验数据，可以得到，铂电阻随温度变化的线性关系非常好。
其线性关系满足：
R=0.3824T+100.64
所以，只要测得某时刻铂电阻的阻值，就对应唯一的确定的温度：
T=（R-100.64）/0.3824
用铂电阻支撑的温度传感器，实验的温度范围内，电阻与温度的变换咸行性关系非常强，测量温度时，其测量值也比较准确。
而且他的适用范围也比较广。
2.2.2半导体热敏电阻随温度变化关系
数据记录表：
温度T（℃）
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
电阻R（Ω）
14.816
10.234
8.318
6.718
5.571
4.658
3.81
3.197
2.694
2.19
1.852
温度T（℃）
75
80
85
90
95
100
105
110
115
120
125
电阻R（Ω）
1.583
1.353
1.14
0.984
0.854
0.731
0.638
0.561
0.484
0.427
0.377
数据处理：
通过对实验数据的处理，可以分析出半导体热敏电阻随温度的变化与乘幂回归的你和形势最好的，在较低温度时，其电阻随温度的变化关系满足
R=9.3365
只要在某时刻测得他的电阻，就可以求得此时的温度:
T=[ln（R/9.3365）]/ln（-2.0241）
用这种元件制成的温度计，测量温度比较简便易于操作，而且对复杂环境的适应性也非常好。
偏差是实验中的误差引起的不可避免。
2.2.3PN结正向电压随温度变化关系
原始数据记录表:
温度T（℃）
22.5
27.5
32.5
37.5
42.5
47.5
52.5
57.5
62.5
67.5
72.5
电压U（V）
0.7096
0.7016
0.6928
0.6824
0.6735
0.6642
0.6537
0.6443
0.6352
0.6249
0.6157
温度T（℃）
77.5
82.5
87.5
92.5
97.5
102.5
107.5
112.5
117.5
122.5
127.5
电压U（V）
0.6069
0.5967
0.5881
0.5815
0.5790
0.5764
0.5762
0.5753
0.5718
0.5690
0.5668
原始数据曲线图：
在室温到100摄氏度内PN结正向电压随温度的变化：
温度T（℃）
22.5
27.5
32.5
37.5
42.5
47.5
52.5
57.5
62.5
67.5
72.5
电压U（V）
0.7096
0.7016
0.6928
0.6824
0.6735
0.6642
0.6537
0.6443
0.6352
0.6249
0.6157
温度T（℃）
77.5
82.5
87.5
92.5
电压U（V）
0.6069
0.5967
0.5881
0.5815
在一定的条件下PN结正向电压随温度变化关系图：
对实验的数据处理和分析可以发现在一定的温度范围内，PN结正向电压随温度的变化有非常好的线性关系。
有很好的拟合性。
满足：
U=-0.0019T+0.7528（V）
所以只要测得PN结在某时的电压，就可以求得此时所对应的温度T=（U-0.7528）/（-0.0019）
利用其制成的温度传感器再次线性变化范围内，精度和准确度都是相当高的。
2.2.4AD590输出电流与温度变化的关系
原始数据记录表：
温度T（℃）
21.5
26.5
31.5
36.5
41.5
46.5
51.5
56.5
61.5
66.5
71.5
电压U（V）
0.2933
0.2981
0.3038
0.3095
0.3144
0.3193
0.3249
0.3298
0.3346
0.3401
0.3450
温度T（℃）
76.5
81.5
86.5
91.5
96.5
101.5
106.5
111.5
116.5
121.5
电压U（V）
0.3498
0.3552
0.3598
0.3649
0.3704
0.3751
0.3799
0.3852
0.3900
0.3948
正向电流随文对变化表（串联电阻为：
1KΩ）
温度T（℃）
21.5
26.5
31.5
36.5
41.5
46.5
51.5
56.5
61.5
66.5
71.5
电压U（V）
0.2933
0.2981
0.3038
0.3095
0.3144
0.3193
0.3249
0.3298
0.3346
0.3401
0.3450
温度T（℃）
76.5
81.5
86.5
91.5
96.5
101.5
106.5
111.5
116.5
121.5
电流（mA）
0.3498
0.3552
0.3598
0.3649
0.3704
0.3751
0.3799
0.3852
0.3900
0.3948
AD590正向电流随温度变化的关系：
实验数据表明，AD590温度传感器在实验中的温度范围内，正向电流随温度的变化呈线性关系。
而且由作图可以得出，线性曲线与趋势线拟合性非常高。
满足关系式
I=0.001T+0.2721
只要测得某时刻的电流，就可以由上式求得此刻的温度：
T=（I-0.0271）/I
用这种元件制成的温度计，在此温度变化范围内，测得的温度比传统的温度计测得的温度相比，准确度也相当的高。
对测量带来了一定的便利性，易于操作，而且易于测量一些复杂环境下的温度。
三．结论
在实验中AD590温度传感器、铂电阻温度传感器在实验的温度范围内，正向电流及电阻随温度变化有很好的线性关系，而PN结温度传感器正向电压与温度的线性关系只在较小的温度范围内可以使用，交织AD590温度传感器、铂电阻温度传感器而言适用范围较小。
半导体热敏电阻随温度变化的乘幂关系旨在较低温度下使用，才可以保证其精度。
适用范围也比较小。
在工业和一些其他的应用中，使用温度传感器测量温度，比传统的温度计测量不仅在精确度上相当高，而且操作也非常的便利，测量非常的方便。
测量误差小。
随着科技的发展，必将有越来越多的各种不同类型的温度传感器在工业和生活中应用。
四．参考文献
张兆奎.大学物理实验（第二版）.高等教育出版社.
常健生等.检测与转换技术.机械工业出版社.
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