温度传感器温度特性研究.doc

大学物理实验I讲义 温度传感器温度特性研究温度传感器温度特性研究【目的与任务】1、掌握半导体PN 结正向电压与温度的关系特性；2、学会用最小二乘法拟合实验数据求线性回归方程。【仪器与设备】FD-TTT-A型温度传感器温度特性实验仪（内含半导体PN结温度传感器、加热井、数字电压表）、连接导线、PT100控温传感器。【原理与方法】 “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非常广泛。温度传感器是利用一些金属、半导体等材料某一个方面的物理性质与温度密切相关的特性制成的。常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶、IC温度传感器和PN结温度传感器等。常用的温度传感器的类型和作用见表1。表1常用的温度传感器的特性类型传感器测温范围/特点热电阻铂电阻-200650准确度高、精度高、测量范围大铜电阻-50150镍电阻-60180半导体热敏电阻-50150电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差热电偶铂铑-铂 （S）01300用于高温测量、低温测量两大类、应用不方便（零点补偿）铂铑-铂铑（B）01600镍铬-镍硅（K）01000镍铬-康铜（E）-200750铁-康铜 （J）-40600其它PN结-50150体积小、灵敏度高、线性好、一致性差IC温度传感器-50150线性度好、一致性好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，在正向电流保持恒定的条件下，PN结的正向电压U和温度T近似满足下列线性关系 , （1）式中为PN结的结电压温度系数,为半导体材料参数。本实验将通过测量PN结温度传感器的特征物理量随温度的变化，来了解这种温度传感器的工作原理。实验测量仪如图1。此实验仪为温度传感器综合实验仪，能用来研究多种温度传感器温度特性。本实验我们只研究PN结。从面板上看，右下端为加热装置（加热井），旁边就是PN电路构件。电路中串联了一个51K的电阻，实验时，在此串联电路两端加5V恒压源，那么流过PN结的电流近似为恒流。图1 FD-TTT-A型温度传感器温度特性实验仪【指导与要求】一、实验主要步骤1、把控温用的PT100温度传感器插入加热井，数据线端按照颜色分别插入控温显示面板下面的三个插孔（上右）；2、在教师的指导下，连接好PN结电路，包含如下三个步骤，首先在串联电路的两端加上5V电源；再把测量用的PN结温度传感器插入加热井，数据线接在PN结标志的两个接线柱上；最后，用导线分别连接PN结两端接线柱到数字电压表（上左）。注意，电路一定要连接正确，不然有可能会导致PN烧坏。确保电路连接无误后，进行下一步；3、打开电源；5、调节控温面板上的温度选择按钮，使其温度设定为分别为30，加热井会加热PN结到设定温度附近。当温度稳定后，记下此时的温度t(请转化为热力学温度T）和数字电压表的电压值U。6、依次设定温度为40,50,60,70,80,90和100，记下稳定后的温度T和U。把测量的数据填入数据记录表格。二、数据记录与处理1、列表记录数据表1 不同温度下的PN结结间电压 单位： K、V123456782、数据处理：（1）用计算机软件(excel或者origin)做出特性曲线。用最小二乘法拟合得到PN结的结电压温度系数K及半导体材料参数。要求用计算机打印好拟合曲线图并在图上给出拟合公式和相关系数。（2）写出实验总结（包括自己对实验的看法或者体会，数据的准确性以及是否达到实验目的）。【思考与练习】1、PN结是正温度型还是负温度型温度传感器？2、若要用NTC温度传感器测量温度，怎样将其线性化？（NTC相关知识请参看讲义后面的附录）附录一：NTC型热敏电阻热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，根据其电阻率随温度变化的特性不同，大致可分为三种类型：（1）NTC（负温度系数）型热敏电阻；（2）PTC（正温度系数）型热敏电阻；（3）CTC（临界温度系数）型热敏电阻。其中PTC 型和CTC型热敏电阻在一定温度范围内，阻值随温度剧烈变化，因此可用做开关元件，在温度测量中使用较多的是NTC型热敏电阻。NTC型热敏电阻其电阻温度特性符合负指数规律，在不太宽的温度范围内（小于450），满足下式： （附1.1）式中，是温度为T（K），T0（K）时的电阻值；B是热敏电阻材料常数，一般情况为2000-6000 K。定义为热敏电阻的温度系数： ， （附1.2）若B=4000K，当T =293.15（20）时，热敏电阻的=0.047/K，约为铂电阻的12倍。附录二：最小二乘法线性拟合假设组等精度测量数据 满足下列线性方程 （附2.1）根据测量数据可以求出最佳的和。，测量值和直线上的点的偏差为 （附2.2） 显然，如果测量点都在直线上（），求出的和是最理想的。但实际测量数据可能并不都在直线上，这样只有考虑为最小，也就是考虑为最小，但因有正有负，加起来可能相互抵消，因此不可取；而又不好解方程，因而也不可行。现在采取一种等效方法：对和为最小时，也为最小。我们把这种取为最小值，求和的方法叫最小二乘法。 令 （附2.3）根据变分原理，要上述泛函取极小值，须, （附2.4）即：, （附2.5）两边同除以，得到, （附2.6）上式中，因此， （附2.7）将和值带入线性方程，即得到线性回归方程。 我们根据（附2.7），就可以拟合实验数据得到线性回归方程。但是，不论测量数据是不是线性关系，由上面公式都能求