测量温度传感器的温度特性

1、实验室1215：温度传感器的温度特性测量和研究FD-TTT-A 型温度传感器温度特性实验仪）目的要求】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】FD-TTT-A 温度传感器温度特性实验仪一台十进制电阻箱一个FD-TTT-A 温度传感器温度特性实验仪面板图【实验原理】“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至关重要，所以温度传感器应用广泛。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特点执八、电 阻铂电阻-200-650铜电阻-50150准确度咼、测量范围大镍电阻-60180半导体热敏电阻-50150电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差铂铑-铂（S）0-1300执八、铂铑-铂铑（B）0-1

2、600电镍铬-镍硅（K）0-1000用于咼温测量、低温测量两大类、必须有怛温 参考点（如冰点）偶镍铬-康铜（E）-200-750铁-康铜（J）-40600其PN结温度传感器-50150体积小、灵敏度咼、线性好、一致性差它IC温度传感器-50150线性度好、一致性好一、直流电桥法测量热电阻直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如图 1 所示把四个电阻R,R,R,R连成一个四边形回路ABCD,每条边称作电桥的一个“桥臂”在四123t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,指示器示值为零,电桥达到平衡。指示器指 零，有U =U ,U =U ,电桥平衡，电流Ig=0,流过电阻R、R的电流相等，即I =1 ,同理I =IR,AB AD BC DC13132 t因此R R R1 =3 n R = 1RR Rt R 31)若R = R，则有：R = R1 2 t 3二、恒电流法测量热电阻恒电流法测量热电阻，电路如图 2所示图2电

3、源采用恒流源，R1为已知数值的固定电阻，R为热电阻。UR1为R1上的电压，UR1tR1Rt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tR1UR,即可知道被测热电阻的阻值。当电路电流为I,温度为t时，热电阻R为RtotU R UR = = 1 R( 2 )t I UOR1三、PtlOO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、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-200650C。 百度电阻比W (100) =1.3850时R为100Q或10Q时。称为PtlOO铂电阻或Pt10铂电阻。o其允许的不确定度A级为：土(0.15C+0.002ltl )。B级为：(0.3C+0.005ltl)。铂电阻 的阻值与温度之间的关系,当温度t在-2000C之间时，其关系式为：R = R1 + At + Bt 2

4、 + C(t - 100 C)13 (3)t0当温度在0650C之间时关系式为：R = R (1 + At + Bt2)(4)t0(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：A = 3.90802 x 10-3 / C, B = -5.80195 x 10 -7 / C2, C = -4.27350 x 10 -12 / C3在0100C范围内Rt的表达式可近似线性为：R = R (1 + At)(5)t01(5)式中A1温度系数，近似为3.85X10_3/c，Pt100铂电阻的阻值，其0C时Rt =100Q ;而 100C 时 Rt =138.5Q。四、热敏电阻(NTCIK)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 3。图3在一定的温度范围内(小于45

5、0C )热敏电阻的电阻Rt与温度T之间有如下关系：B ( 4 -R = Re T T 0(6)T0(6)式中R0是温度为T(K),T(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20006000K。对一定的热敏电阻而言，B为常数，对上式两边取对数，则有：11In R = B ( ) + In R(7)T T T00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=(10mV/C)*t即：t(C)= UO/10mV(8)LM35温度传感器的电路符号见图4, V为输出端o图4实验测量时只要直接测量其输出端电压U，即可知待测量的温度。0六、电流

6、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-55150C,灵敏度为1“ 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：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-55150C。对应于热力学温度T， 每变化1K,输出电流变化1p A。其输出电流I0（p A）与热力学温度T （K）严格成正比。其 电流灵敏度表达式为：9)I 3kln8T 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=538Q 代入（9）中得到：丄=1.000uA /K（10）T在T=0 （K）时其输出为273.15p A（AD590有几种级别，一般准确度差异在35p A）。因此，AD590的输出电流I的微安数就代表着被测温度的热力学温度值（K）。0AD5

7、90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 (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)则要加温标转换电路，其关系式为：t=T+273.15 (12)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C的转换。实验测量 电路如图 7所示。图7七、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vb 般约为600mV(25C)，且与温度成反比。线性良好，温度系数 be约为-2.3mV/C,测温精度较高，测温范围可达-50150C。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 =

8、I equ /kT 1(13)s L一在常温条件下，且equ /kt1时，(13)式可近似为I = I equ /灯(14)S( 13)、( 14)式中:q = 1.602 x 10 -19； C为电子电量，k = 1.381 x 10 - 23 J / K为玻尔兹曼常数T为热力学温度；I为反向饱和电流；s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=Kt+U(15)go(15)式中U为半导体材料参数，K为PN结的结电压温度系数。go实验测量如图 8。图8【实验内容】一（1）、用直流电桥法测量 Pt100 铂电阻的温度特性插上桥路电源（+2V）,将控温传感器PtlOO铂电阻（A级），插入干井炉中心井，另一 只待测试的PtlOO铂电阻插入另一井，从室温起开始测试，然后开启加热器，每隔5C控温 系统设置一次，控温稳定2min 后,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PtlOO铂电阻的阻值（R,R2用金属膜精密电阻,r3用精密电阻箱）。序号123456t (C)室温3035404550Rx(Q )30Rt(Q )35将测量数据用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数A1=，相关系数r=一（2）、用恒电流法测量PtlOO钳电阻的温度特性插上恒流源，监测R上电流是否为1mA（即U=1.00V,R=1.00K）。将控温传感器PtlOO 铂电阻（A级），插入干井炉的中心井，另一只待测试的Pt1OO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Pt1OO铂电阻的阻值，到50C止。用最小二乘法直线拟合，求出结果。序号123456t (C)室温3035404550Rt(Q )温度系数A=相关系数r=二（1）、用电桥法测量NTC热敏电阻的温度特性插上桥路电源（+2V）,将控温传感器Pt1OO铂电阻（A级），插入干井炉中心井，另一 只待测试的NTC1K热敏电阻插入另一井，从室温起开始测试，然后开启加热器，每隔5

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