温度传感器的温度特性测量和研究Word下载.docx

1、半导体热敏电阻电阻率大、温度系数大、线性差、-致性差铂铑-铂 S01300铂铑-铂铑B1600田千甘 W曰 训【1昌 /PR曰 训【1昌面+米必须有恒温镍铬-镍硅K1000用于冋温测量、 低温测量两大类、参考点如冰点偶镍铬-康铜E750铁-康铜 J-40 600苴丿、PN结温度传感器体积小、灵敏度咼、线性好、一致性差它IC温度传感器线性度好、一致性好、直流电桥法测量热电阻把四个电阻Ri,R2,R3,Rt连成一个四边形回路 ABCD每条边称作电桥的一个“桥臂在四边形的一组对角 接点A C之间连入直流电源 E,在另一组对角接点 B D之间连入平衡指示仪表， B、D两点的对角线形成一条“桥路，它的作

2、用是将桥路两个端点电位进行比拟，当 B D两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示器示值为零，电桥到达平衡。指示器指零，有UAe=UDUbc=UDc,电桥平衡，电流Ig=0,流过电阻Ri、R的电流相等，即11=13,同理I 2=IRt,因此R1R3Rt R3R2Rt假设 R1 R2，那么有：Rt R3（1）二、恒电流法测量热电阻恒电流法测量热电阻，电路如图 2所示，电源采用恒流源，Ri为数值的固定电阻， Rt为热电阻。Uri为R1上的电压，URt为Rt上的电压，Uri用于监测电路的电流，当电路电流恒定时那么只要测出热电阻两端电压 URt，即可知道被测热电阻的阻值。当电路电流为Io,温度为t时，热

3、电阻Rt为U RtR1U Rt（2）I OU R1三、Pt100铂电阻温度传感器PtIOO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、化学性能极稳定，抗氧化能力强，复制性好，易工业化生产，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温度标准。缺点是高质量的铂电阻（高级别）价格十分昂贵，温度系数偏小，受磁场影响较大。按 IEC标准，铂电阻的测温范围为-200 650CoXX电阻比 W （100） =1.3850时R。为100Q或10Q时。称为Pt100 铂电阻或Pt10铂电阻。其允许的不确定度 A级为：（ 0.15C +0.002|t|）。B级为：（ 0.3

4、C +0.005|t|）。铂 电阻的阻值与温度之间的关系 ，当温度t在-2000 C之间时，其关系式为：Rt R0 1 At Bt2 C（t 100 C）t3 （3）当温度在0650 C之间时关系式为：Rt R）（1 At Bt2） （4）（3）、（ 4）式中Rt、R0分别为铂电阻在温度 t、0C时的电阻值，A,B,C为温度系数，对于常用的工业铂电阻：3 7 2 12 3A 3.90802 10 / C,B 5.80195 10 / C ,C 4.27350 10 / C在0100 C范围内Rt的表达式可近似线性为：R R（1 At） （5）（5）式中A1温度系数，近似为3.85 X 10-3

5、/C,Pt100铂电阻的阻值， 其0 C时Rt =100 Q ; 而 100 C时Rt =138.5 Q。四、热敏电阻（NTC1K）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3o图3在一定的温度范围内（小于 450C）热敏电阻的电阻 Rt与温度T之间有如下关系:（6）式中Rt、Ro是温度为T（K）,To（K）时的电阻值（K为热力学温度

6、单位开）；B是热敏电阻材料常数，一般情况下B为20006000K。对一定的热敏电阻而言， B为常数，对上式两边取对数，那么有：由（7）式可见，InRt与1/T成线性关系，作InRt （1/T）曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数 B。五、电压型集成温度传感器（LM35LM35温度传感器，标准 To-92工业封装，其准确度一般为土 0.5C。（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）:Uo=Kv*t=（1

7、0mV/ C ）*t即：t（ C ）= UO/10mV （8）LM35温度传感器的电路符号见图 4, Vo为输出端Q +图4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。六、电流型集成温度传感器（AD590 ）AD590是一种电流型集成电路温度传感器。其输出电流大小与温度成正比。它的线性度极好， AD590温度传感器的温度适用范围为 -55 150C，灵敏度为1卩A/K。它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、图5AD590等效于一个高阻抗的恒流源， 其输出阻抗10MQ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。AD590的工作电压为+4 +30V,测温范围是-55 150C。

8、对应于热力学温度 T,每变化1K，输出 电流变化1卩A。其输出电流Io（卩A）与热力学温度T （K）严格成正比。其电流灵敏度表达式为：I 3kIn8 （9）T eR式（9）中k、e分别为波尔兹曼常数和电子电量， R是内部集成化电阻。 将k/e=0.0862mV/K,R=538 Q代入（9）中得到：-=1.000uA/K （10）T在T=0 （ K）时其输出为273.15卩A（AD590有几种级别，一般准确度差异在土 35卩A）。因此，AD590的输出电流Io的微安数就代表着被测温度的热力学温度值（ K）。AD590的电流-温度（I-T）特性曲线如图6所示：图6其输出电流表达式为:I=AT+B

9、（11）式（11）中A为灵敏度，B为0K时输出电流如需显示摄氏温标（C）那么要加温标转换电路，其关系式为：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般约为600mV （25C）,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 150C。缺点是 一致性差，互换性差。通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足（13）式I Is

10、eqU/kT 1（13）在常温条件下，且eqU/KT 1 时，（13）式可近似为I IseqU/kT（14）（13）、（ 14）式中q 1.602 1019;C为电子电量，k 1.38110 23J/K为玻尔兹曼常数T为热力学温度;Is为反向饱和电流;正向电流保持恒定条件下， PN结的正向电压U和温度t近似满足以下线性关系【考前须知】（1 ）温控仪温度稳定的到达设定的稳定需要的时间较长，一般需要 15-20分钟左右，请同学们耐心等待。（2）鉴于第一点，为节省时间，请同学们合理安排实验步骤。建议同时进行多种传感器的实验，只要把数 字电压表分别测量待测传感器输出即可。【实验内容】一、 用恒电流法测

11、量 Pt100铂电阻的温度特性插上恒流源，监测 R上电流是否为1mA （即Ui=1.00V,Ri=1.00K）。将控温传感器 Pt100铂电阻（A级）, 插入干井炉的中心井，另一只待测试的 Pt100铂电阻温度传感器插入另一井，从室温起开始测量，然后开启加热器，每隔5C控温系统设置一次，控温稳定 2min后，按式（0）测量、计算 Pt100铂电阻的阻值，到50 C止。用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数A= 相关系数r= 二、 用恒电流法测量 NTC热敏电阻的温度特性将控温传感器 Pt100铂电阻（A级）, 插入干井炉的中心井，另一只待测试的 NTC1K热敏电阻温度传感器插入另一井，从室温

12、起开始测试，然后开启加热器，每隔 5C控温系统设置一次，控温稳定 2min后按式（1）测试、计算 NTC1K热敏电阻的阻值。将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，求出结果。温度系数B= 相关系数r= 【数据处理】一、用恒电流法测量 Pt100铂电阻的温度特性初始温度定为35C，测得U1=0.999V，即l1=0.999mA，满足实验要求，实验数据如下表序号12345678910111213t （C）35455565758595U（V）0.1120.1150.1190.1230.1270.1310.1350.1370.1330.130.1260.1220.118Rt（ Q ）1121151

13、19123127131135137133130126122118表1恒电流法测量Pt100铂电阻温度特性数据表 2021-10-18 12:28 /Graph3 （2454757）Linear Regression for Data1_G:Y = A + B * XParameter Value Error115 30 40 50 60 70 80 90 100图10.降温时Pt100铂电阻t-R曲线图、用恒电流法测量 NTC热敏电阻的温度特性405060708090100T（K）313.2323.2333.2343.2353.2363.2373.21/T X 10-3.193.093.002

14、.912.832.752.680.5370.3560.2420.1730.0960.0740.1140.1530.2070.2860.4030.576Rt （Q）5373562421739674114153207286403576In（Rt）6.295.875.495.154.844.564.304.745.035.335.666.006.36表2恒电流法测量NTC热敏电阻温度特性数据表2021-10-18 13:16 /Graph5图11.升温时NTC热敏电阻1/T-lnR曲线图Parameter ValueErrorA -6.064570.16976B3858.4954657.9645R SDN P0.999440.02623 70.0001Linear Regression for Data1_K:图12.降温时NTC热敏电阻1/T-lnR曲线图17 /Graph6Linear Regression for Data1_I:实验小结】1、实验室的温度传感器比拟贵重，使用时注意轻拿轻放，保护好仪器。2、 实验时温度不宜超过 100C，否那么会对仪器内部有影响。3、 实验时将温度传感器插入加热井后，导线不能离加热井口太近，否那么在实验温度较高时有可能烧毁 导线。4、 仪器冷却时，先将散热器翻开，然后将温度设置在比拟低的位置，这样降温会比拟快，节约时间。