203 温度传感器特性研究

“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，在科研及生产过程中，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。【实验目的】

1．学习用恒电流法和直流电桥法测量热电阻；2．测量铂电阻和热敏电阻温度传感器的温度特性；3．测量电压型、电流型和PN结温度传感器的温度特性；【实验仪器】

FB812型温度传感器温度特性实验仪1台【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热电阻传感器铂电阻铜电阻镍电阻半导体热敏电阻铂铑-铂热电偶(S)测温范围(℃)特点-200-650-50-150-60-180-50-1500-13000-16000-1000-20-750-40-600-50-150-50-150

体积小、灵敏度高、线性好、一致性差线性度好、一致性好用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参考点（如冰点）电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差准确度高、测量范围大铂铑-铂铑(B)镍铬-镍硅(K)镍铬-康铜(E)铁-康铜(J)其它PN结温度传感器IC温度传感器一.直流电桥法测量热电阻:直流单臂电桥（惠斯登电桥）的电路如图1所示,把四个电阻R1, 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之间连入检流计，B, D两点的对角线形成一条“桥路”，它的作用是将桥路两个端点电位进行比较，当B, D两点电位相等时，桥路中无电流通过，检流计示值为零，电桥达到平衡。指示器指零，有UABUAD, UBCUDC,电桥平衡，电流Ig0,流过电阻R1, R3的电流相等，即I1I3,同理I2IRt,因此R1R3R

Rt2R3R2RtR1若R1R2，则有：RtR3二．恒电流法测量热电阻:(1)恒电流法测量热电阻，电路如图2所示，电源采用恒流源，R1为已知数值的固定电阻，Rt为热电阻。UR1为R1上的电压，URt为Rt上的电压，UR1用于监测电路的电流，当电路电流恒定时则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I0,温度为t时，热电阻Rt为:Rt

URtR1URtIOUR1(2)三．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1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100时，称为Pt100铂电阻，R010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：RtR01AtBt2C(t100C)t3当温度在t0~650C之间时关系式为：(3)RtR0(1AtBt2)

温度系数，对于常用的工业铂电阻：(4)（3）、（4）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A3.90802103(C)1B5.80195107(C)1C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：RtR0(1A1t)

31(5)（5）式中A1温度系数，近似为3.8510(C)，Pt100铂电阻的阻值，在0C时，Rt100；而在100C时Rt138.5。四.热敏电阻(NTC)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3。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2如下关系：R

TR0e

B(11)TT0(6)（6）式中Rt, 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：lnRTB(

11)lnR0TT0(7)由（7）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。五．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):U0KVt(10mV/C)t

即：t(C)U0/10mV

(8)LM35温度传感器的电路符号见图4，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。六．电流型集成温度传感器（AD590）：其输AD590是一种电流型集成电路温度传感器。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~150C，灵敏度为1.0A/K。它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点。AD590是一个二端器件，电路符号如图5所示：AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗10M，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~150C。对应于热力学温度T，每变化1K，输出电3流变化1A。其输出电流I0(A)与热力学温度T(K)严格成正比。其电流灵敏度表达式为：I3kln8TeR

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(9)k/e0.0862mV/K, R538代入（9）中得到I

1.000A/KT

(10)在T0(K)时其输出为273.15A(AD590有几种级别，一般准确度差异在3~5A)。因此，AD590的输出电流I0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：其输出电流表达式为：IATB

转换电路，其关系式为：tT273.15

(12)(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)则要加温标AD590温度传感器其准确度在整个测温范围内0.5C，线性极好。利用AD590的上述特性，在最简单的应用中，用一个电源，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温度的测量。由于AD590以热力学温度K定标，在摄氏温标应用中，应该进行KC的转换。实验测量电路如图7所示。七．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时)，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。41通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足（13）式：IIS(e

在常温条件下，且e

quKTquKT1)

(13)1时，（13）式可近似为：IISe

quKT(14)（13）、（14）式中:q1.60210常数。19C为电子电量，k1.3811023J/K为玻尔兹曼T为热力学温度；IS为反向饱和电流；当正向电流保持恒定条件下，PN结的正向电压U和温度t近似满足下列线性关系：UKtUg0电压温度系数。实验测量线路如图8。(15)（15）式中Ug0为半导体材料参数，K为PN结的结【实验内容】

一．用直流电桥法测量PT100测量铂电阻的温度特性：按【附录4】图14-1接线。控温传感器Pt100铂电阻(A级)已经装在加热干井炉中与其它井孔离中心相同半径的位置,保证其测量温度与待测元件实际温度相同。加热选择在空档为不加热，只有在Ⅰ、Ⅱ档才加热。待测试的Pt100铂电阻插入四个井孔的任何一井，从室温起开始测试，然后开启加热器，每隔10C控温系统设置一次，控温稳定2min后，调整电阻箱R3使输出电压为零，电桥平衡，则按式（1）测量、计算待测Pt100铂电阻的阻值（R1, R2为精度千分之一的精密电阻,R3为五盘十进精密电阻箱）。表1Pt100温度特性测试数据序号1室温2303404505606707808909100t(C)RX()Rt()

将测量数据RX()用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数A

，相关系数r

。5二．用恒电流法测量NTC热敏电阻的温度特性：按【附录4】图14-2接线。监测R1上电流是否为1mA(U11.00V,R11.000k)。待测试的MF531热敏电阻温度传感器插入一井，，从室温起开始测试，然后开启加热器，每隔10C控温系统设置一次，控温稳定2min后测试MF531热敏电阻两端的电压值，记录到表2中：（按公式（2）再换算成电阻值）表2MF531热敏电阻温度特性测试数据序号1室温2303404505606707808909100t(C)URt(V)Rt()

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A

，相关系数r

。三．电流型集成温度传感器（AD590）温度特性的测试：（1）按【附录4】图14-3接线。并将温度设置为25C（25C位置进行PID自适应调整，保证达25C0.1C的控温精度）。温度传感器AD590插入干井炉孔中，升温至（上述实验，25C。温度恒定后测试1k电阻（精密电阻）上的电压是否为298.15mV。环境温度必须低于25C，AD590输出电流定标温度为25C，输出电流为298.15A。0C时则为273.15A）（2）将干井炉温度设置从最低室温起测量，每隔10C控温系统设置一次，每次待温度稳定2min后，测试1k电阻上电压。（再换算成电流值）表3AD590温度特性测试数据序号1室温2303404505606707808909100t(C)U (V)I(A)

I为从1.000k电阻上测得电压换算所得（IU/R，用最小二乘法进行直线拟合得：温度系数A__________A/K，相关系数r____________。四．电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试：按【附录4】图14-4接线。从环境温度起测量，然后开启加热器，每隔10C控温系统设置一次，控温后，恒定2min测试传感器(LM35)的输出电压。表4LM35温度特性测试数据6序号1室温23034074505606707808909100t(C)U0(V)

得到数据用最小二乘法进行拟合得:A__________，r____________。五．PN结温度传感器温度特性的测试：按【附录4】图14-5接线。PN结温度传感器插入干井炉一个井内。从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10C控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压Ube的测量，得到结果如下表：序号1室温表5PN结温度特性测试数据2303404505606707808909100t(C)Ube(V)

用最小二乘法直线拟合，求出结果。A__________，r____________。【注意事项】

（1）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15~20min左右，务必耐心等待。（2）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，只要用数字电压表分别测量待测传感器输出即可。【附录1】FB812仪器面板图

7【附录2】

PID智能温度控制器使用说明

该控制器是一种高性能、可靠性好的智能型温控仪表，广泛使用于机械化工、陶瓷、轻工、冶金、热处理等行业的温度、流量、压力、液位自动控制系统。控制器面板布置图：例如需要设置加热温度为30C，具体操作步骤如下：1．先按设定键SET（）0.5秒,进入温度设置。(注：若按住设定键时间长达5秒，将出现进入第二设定区符号，这时只要停止操作5秒，仪器会自动恢复温控状态。)2．按位移键（），选择需要调整的位数，数字闪烁的位数即是可以进行调整的位数。3．按上调键（）或下调键（温度。）确定这一位数值，按此办法，直到各位数值满足设定4．再按设定键SET（）1次，设定工作完成。如需要改变温度设置，只要重复以上步骤即可。操作过程可按上图进行（图中数据为出厂时设定的参数）：8【附录3】FB812型实验仪实物照片图13FB812型温度传感器温度特性实验仪实物照片9【附录4】实验接线示意图

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