温度传感器.docx
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温度传感器
温度传感器实验研究
摘要：
利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两种。
了解这两种的传感原理、测定其温度特性。
同时测定PN结的正向压降与温度的关系。
同时研究常用集成温度传感器（AD590和LM35）的测温原理，及其温度特性。
关键字：
温度传感器热电阻热电偶PN结正向压降
Thetemperaturesensorexperiment
Abstract:
usingmaterialofvariousphysicalpropertieswithtemperaturechangerulesforthetemperatureconversionpowersensor.Temperaturesensorisacentralpartofthetemperaturemeasurement,widevariety.Accordingtothemeasurementmethodscanbedividedintocontactandnon-contacttwokindsbig,accordingtothesensormaterialsandelectroniccomponentscharacteristicsintoheatresistanceandthermocoupletwokinds.Understandthetwosensingprinciple,determiningthetemperaturecharacteristics.ThesimultaneousdeterminationofPNjunctionpositivepressuredropandthetemperatureoftherelationship.Thestudyusedintegrationtemperaturesensor（AD590toandLM35）temperaturemeasuringprinciple,andtemperaturecharacteristics.
Keyword:
temperaturesensor、heatresistance、thermocouple、PNjunction、positivepressuredrop
实验原理：
温度是表征物体冷热程度的物理量。
温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。
测温传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的传感器。
一：
热电阻特性实验
【实验目的】
1、研究Pt100铂电阻、Cu50铜电阻和热敏电阻（NTC和PTC）的温度特性及其测温原理
。
2、研究比较不同温度传感器的温度特性及其测温原理。
3、掌握单臂电桥及非平衡电桥的原理，及其应用。
4、了解温度控制的最小微机控制系统。
5、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。
6、学习运用不同的温度传感器设计测温电路。
【实验原理】
1、Pt100铂电阻的的测温原理
金属铂（Pt）的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。
铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。
2、热敏电阻温度特性原理（NTC型）
热敏电阻是阻值对温度变化非常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（NTC）的电阻率随着温度的升高而下降（一般是按指数规律）；而正温度系数热敏电阻（PTC）的电阻率随着温度的升高而升高；金属的电阻率则是随温度的升高而缓慢地上升。
3、Cu50铜电阻温度特性原理
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。
铜电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。
4、单臂电桥原理
惠斯登电桥线路如图3-2所示，四个电阻R1、R2、
R0、RX连成一个四边形，称电桥的四个臂。
四边形的
一个对角线接有检流计，称为“桥”，四边形的另一个
对角线上接电源E，称为电桥的电源对角线。
电源接通，
电桥线路中各支路均有电流通过。
当C、D之间的电位不相等时，桥路中的电流Ig≠0，
检流计的指针发生偏转。
当C、D两点之间的电位相等时，
“桥”路中的电流Ig=0，检流计指针指零，这时我们称电
桥处于平衡状态。
【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（自备）。
【实验内容与步骤】
1、用万用表直接测量法
1）参照附录4的使用方法，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。
图3-3
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。
【数据记录1】
Pt100铂电阻数据记录室温24℃
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）
109
111
113
115
117
119
121
123
125
127
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）
129
131
133
135
136
138
140
142
144
146
【数据记录2】
NTC负温度系数热敏电阻数据记录室温24℃
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）
5000
4125
3295
2780
2185
1870
1575
1322
1109
928
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）
787
679
583
503
451
419
370
326
276
241
【数据记录3】
PTC正温度系数热敏电阻数据记录室温24℃
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）
350
356
358
364
375
390
405
450
500
625
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
温度（℃）
75
80
85
90
95
100
R（Ω）
780
1052
1522
2940
4460
9575
【数据记录4】
Cu50铜电阻数据记录室温24℃
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
56
57
59
60
61
62
63
64
65
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）
66
67
68
69
70
71
72
74
75
76
【实验结论】
根据实验数据制表：
分析：
由图可知，Pt铂电阻和Cu50铜电阻的R-t曲线是线性变化的。
NTC为非线性变化，且电阻随温度升高而降低，即负温度系数热敏电阻。
PTC也为非线性变化，电阻随温度升高而升高，即正温度系数热敏电阻，且当升高到一定温度之后，电阻急剧上升。
实验二热电偶温差电动势测量与研究
【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电路。
【实验原理】
1、热电偶测温原理
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）
式中α称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶,α是不同的，其数值上等于两接点温度差为1℃时所产生的电动势。
t为工作端的温度，t0为冷端的温度。
【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。
【实验内容与步骤】
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。
本实验采用常用的比较定标法，即用一标准的测温仪器（如标准水银温度计或已知高一级的标准热电偶）与待测热电偶置于同一能改变温度的调温装置中，测出Ex-t定标曲线。
具体步骤如下：
（1）按图3-7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。
用万用表测出室温时热电偶的电动势（建议采用我公司的UJ33d型电位差计来测量），然后开启温控仪电源，给热端加温。
每隔10℃左右测一组（t，Ex），直至100℃为止。
由于升温测量时，温度是动态变化的，故测量时可提前2℃进行跟踪，以保证测量速度与测量精度。
测量时，一旦达到补偿状态应立即读取温度值和电动势值，再做一次降温测量，即先升温至100℃，然后每降低10℃测一组（t，Ex），再取升温降温测量数据的平均值作为最后测量值。
另外一种方法是设定需要测量的温度，等控温仪稳定后再测量该温度下温差电动势。
这样可以测得更精确些，但需花费较长的实验时间。
3、自行设计热电偶数字测温电路。
4、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。
【实验数据与分析】
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
温度t（℃）
30
40
50
60
70
80
90
100
电动势（mV）
1.196
1.611
2.035
2.467
2.908
3.357
3.813
4.277
【实验结论】
根据实验数据制表：
由：
，知该曲线斜率K=（4.277-1.196）/（100-30）=0.044
即温差电系数α=0.044.
实验三PN结正向压降与温度关系的研究和应用
【实验目的】
1、了解PN结正向压降随温度变化的基本关系式。
2、在恒定正向电流条件下，测绘PN结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度及被测PN结材料的禁带宽度。
3、学习用PN结测温的方法。
【实验原理】
理想的PN结的正向电流IF和正向压降VF存在如下近关系式：
（1）
其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；IS为反向饱和电流，它是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度有关的系数，可以证明
（2）
其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数，r也是常数（r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取r=3.4）；Vg（0）为绝对零度时PN结材料的带底和价带顶的电势差。
（2）式的具体证明参阅黄昆，谢德著的《半导体物理》。
将
（2）式代入
（1）式，两边取对数可得
（3）
其中
方程（3）就是PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN结温度传感器的基本方程。
令IF=常数，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中还包含非线性顶Vn1。
下面来分析一下Vn1项所引起的线性误差。
设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，由（3）式可得
（4）
按理想的线性温度响应，VF应取如下形式
（5）
等于T1温度时的
值
由（3）式可得
（6）
所以
=
（7）
由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理论偏差为
△=V理想-VF=
（8）
设T1=300°K，T=310°K，取r=3.4,由（8）式可得△=0.048mV，而相应的VF的改变量约20mV，相比之下误差甚小。
不过当温度变化范围增大时，VF温度响应的非线性误差将有所递增，这主要由于r因子所致。
【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。
【实验内容与步骤】
1）参照附录4，将“加热电流”开关置“关”位置，将
“风扇电流”开关置“关”位置，接上加热电源线和信号传输线，两者连接均为直插式。
PN结传感器引脚如图3-8所示。
按图3-9方式连接电路。
用DH-VC1直流恒压源恒流源来提供恒流源。
2）此时测试仪上将显示出室温TR，记录下起始温度TR。
把恒流源调节至1mA，记录下VF（TR）值。
再将PN结传感器置于冰水混合物中，静置几分钟后，记录下VF（0）值。
3）测定△V—T曲线图3-8
把温度控制器温度设定在100℃，开启加热电流，并记录对应的VF和T，至于△VF、T的数据测量，可按VF每改变10或15mV立即读取一组△VF、T，这样可以减小测量误差。
应该注意：
在整个实验过程中，控温加热电流不要太大，确保升温速率慢，方便读数即可。
且设定的温度不宜过高，最好控制在120℃以内。
4）估算被测PN结材料的禁带宽度。
根据（6）式，略去非线性项，可得
Vg（0）=VF（0）+
△T=VF（0）+S·△T
式中△T=-273.2K，即摄氏温标与凯尔文温标之差。
VF（0）为
0℃时PN结正向压降。
将实验所得的Eg（0）=eVg（0）与公认值Eg（0）=1.21电子伏比较，求其误差。
图3-9
【实验数据记录与处理】
第一次
实验起始温度：
TR=29.9℃。
工作电流：
IF=1.0005mA。
起始温度为TR时的正向压降：
VF（TR）=594.7mV。
△VF
0
9.7
19.7
34.7
44.7
54.7
64.7
74.7
84.7
94.7
104.7
114.7
129.7
144.7
温度T（℃）
29.9
33.2
38.4
46.4
51.5
57.5
62.4
67.4
72.2
77.0
81.8
86.4
93.5
100.3
正向压降VF（mV）
594.7
585
575
560
550
540
530
520
510
500
490
480
465
450
采用最小二乘法得出VF=-2.0098T+653.9VF（0）=653.9
S=2.0098（mv/℃）
第二次
实验起始温度：
TR=28.3℃。
工作电流：
IF=0.5000mA。
起始温度为TR时的正向压降：
VF（TR）=576.2mV。
△VF
0
11.2
21.2
36.2
46.2
56.2
66.2
76.2
86.2
96.2
106.2
116.2
131.2
139.2
温度T（℃）
28.3
33.0
37.9
45.4
50.2
55.1
60.2
65.1
70.0
75.1
80.1
85.2
92.6
96.2
正向压降VF（mV）
576.2
565
555
540
530
520
510
500
490
480
470
460
445
437
采用最小二乘法得出VF=-2.0263T+632.1VF（0）=632.1（mv）
S=2.0263（mv/℃）
估算被测PN结材料的禁带宽度。
根据（6）式，略去非线性项，可得
Vg（0）=VF（0）+
△T=VF（0）+S·△T
式中△T=-273.2K，即摄氏温标与凯尔文温标之差。
VF（0）为0℃时PN结正向压降。
Eg（0）=eVg（0）与公认值Eg（0）=1.21（eV），求其误差。
第一次Vg（0）=1.20（V）μ
（1）=0.83%
第二次Vg（0）=1.19（V）μ
（2）=1.65%
根据实验原理及结论将该PN结制成温度传感器，使其灵敏度最大，其工作电流及其测量范围，并标定其刻度。
工作电流为0.5mV，工作范围-20℃~115℃。
温度T（℃）
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
正向压降VF（mV）
672.6
662.5
652.4
642.2
632.1
622.0
611.8
601.7
591.6
581.4
571.3
561.2
551.0
540.9
温度T（℃）
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
115
正向压降VF（mV）
530.8
520.7
510.5
500.4
490.3
480.1
470.0
459.9
449.7
439.6
429.5
419.3
409.2
399.1
【思考与分析】
1、测VF（TR）的目的何在？
为什么实验要求测△VF—T曲线而不是VF—T曲线。
因为温度T的读取，是由温度传感器晶体管这种电路结果结构与恒流、放大等电路集成一体，便构成集成电路温度传感器读取的。
故只需要知道△V，而温度有传感器获知，便可得到△V—T曲线。
2、测△VF—T为何按△V的变化读取T，而不是按自变量T读取△V。
因为测VF—T曲线T因△V而变化，所以按△V的变化读取T。
3、在测量PN结正向压降和温度的变化关系时，温度高时△VF—T线性好，还是温度低好？
线性度随温度的高低而有所不同，这是非线性项Vn1引起的，由Vn1对T的二阶导数
可知，
的变化与T成反比，所以VF—T的线性度在高温端优于低温端。
4、测量时，为什么温度必须在-50℃-150℃范围内？
因为对通常的硅二级管来说，在温度-50摄氏度~150摄氏度的范围内杂质全部电离，本征激发可以忽略的温度区，如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离因子减小或本证载流子迅速增加，VF--T关系将产生新的非线性。
实验四集成温度传感器
【实验目的】
1、研究常用集成温度传感器（AD590和LM35）的测温原理，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：
式中，K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。
【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。
【实验内容与步骤】
1、了解温度传感器AD590的引脚及其功能。
如图3-14所示，其封装图。
2、参照图3-11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℃（或自定度数）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。
如图3-14所示，其封装图。
5、参照图3-15和图3-16分别连线做实验。
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。
8、分析比较它们的温度特性以及温度传感器与常用的集成温度传感器的温度特性。
【数据记录1】
AD590数据记录室温25.8℃
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度（℃）
25.8
30.8
35.8
40.8
45.8
50.8
55.8
60.8
65.8
70.8
V
4.676
4.670
4.665
4.660
4.654
4.649
4.644
4.639
4.635
4.630
序号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
温度（℃）
75.8
80.8
85.8
90.8
95.8
100.8
105.8
110.8
115.8
120.8
V
4.624
4.619
4.614
4.608
4.602
4.597
4.592
4.5
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