4-温度传感器的温度特性测量及应用

1、朱炯明朱炯明上海师范大学上海师范大学 数理信息学院数理信息学院三三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用四四 温度传感器的温度特性测量及应用温度传感器的温度特性测量及应用五五 光敏传感器的光电特性测量及应用光敏传感器的光电特性测量及应用l 目的要求目的要求l 实验仪器实验仪器l 实验原理实验原理l 实验内容实验内容l 思考题思考题l 附录附录1 . 学 习 用学 习 用 恒 电 流 法恒 电 流 法 测 量测 量 热 电 阻热 电 阻2 . 学 习 用学 习 用 直 流 电 桥 法直 流 电 桥 法 测 量测 量 热 电 阻热 电 阻3. 测量测量铂电阻

2、温度传感器铂电阻温度传感器 (Pt100) 的的温度特性温度特性4. 测量测量热敏电阻热敏电阻（负温度系数）（负温度系数）温度传感器温度传感器 NTC1K的的温度特性温度特性5 . 测 量测 量 P N 结 温 度 传 感 器结 温 度 传 感 器 的的 温 度 特 性温 度 特 性6. 测量测量电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器（AD590）的）的温度特性温度特性7. 测量测量电压型集成温度传感器电压型集成温度传感器（LM35）的）的温度特性温度特性FD-TTT-A 温度传感器温度特性实验仪温度传感器温度特性实验仪 的组成：的组成：F 高准确度控温恒温加热系统高准确度控温恒温加热系统F

3、 恒流源恒流源FF 直流电桥直流电桥F Pt100 铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器 F NTC1K 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器F PN 结温度传感器结温度传感器F 电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器 AD590F 电压型集成温度传感器电压型集成温度传感器 LM35 F 数字电压表数字电压表 实验插接线实验插接线 等等F “温度温度”是一个重要的热学物理量是一个重要的热学物理量F 和我们的生活环境密切相关和我们的生活环境密切相关F 对实验及生产的结果至关重要对实验及生产的结果至关重要F 温度传感器应用广泛温度传感器应用广泛F 温度传感器温度传感器是利用一些金属、半导体等材料是利

4、用一些金属、半导体等材料与温与温度相关的特性度相关的特性制成的制成的F 常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见表常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见表 1类型传感器测温范围/特 点铂电阻-200650准确度高、测量范围大铜电阻-50150镍电阻-60180热电阻半导体热敏电阻-50150电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差铂铑-铂 （S）01300用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参考点（如冰点）铂铑-铂铑（B）01600镍铬-镍硅（K）01000镍铬-康铜（E）-200750热电偶铁-康铜 （J）-40600PN结温度传感器-50150体积小、灵敏度高、线性好、一致性差 其它I

5、C温度传感器-50150线性度好、一致性好1. 恒电流法测量热电阻恒电流法测量热电阻2. 直流电桥法测量热电阻直流电桥法测量热电阻3. Pt100 铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器4. 热敏电阻热敏电阻 ( NTC1K ) 温度传感器温度传感器5. PN 结温度传感器结温度传感器6. 电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）7. 电压型集成温度传感器（电压型集成温度传感器（LM35） F 电路如电路如 图图1 所示所示F 电源采用恒流源电源采用恒流源F R1为已知数值的固定电阻为已知数值的固定电阻F Rt 为为热电阻热电阻F UR1为为 R1上的电压上的电压 用于监测电路的电流

6、用于监测电路的电流F Urt 为为 Rt 上的电压上的电压F 当电路电流为当电路电流为 I0 , 温度为温度为 t 时，时，热电阻热电阻Rt 为为R1RtUR1URtI0110RRttRtUURIUR直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如 图图2 所示所示F 把四个电阻把四个电阻 R1, R2, R3, Rt 连成一个四边形回路连成一个四边形回路 ABCDF 每条边称作电桥的一个每条边称作电桥的一个 “桥臂桥臂”F 在对角接点在对角接点 A、C 之间连入直流电源之间连入直流电源 EF 在对角接点在对角接点 B、D 之间连入平衡指示仪表之间连入平衡指示仪表F B、D

7、 两点的对角线形成一条两点的对角线形成一条 “桥路桥路”当当 B、D 两点电位相等时，桥路中无电流通过，指两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示 器 示 值 为 零 ， 电 桥 达 到 平 衡示 器 示 值 为 零 ， 电 桥 达 到 平 衡 UA B = UA D , UB C = UD C电流电流 Ig =0, 流过电阻流过电阻 R1、R3 的电流相等，的电流相等，I1 = I3 同理同理 I2 = IRt又又 I1R1 = I2R2 IRtRt = I3R3 因此因此 tRRRR321321RRRRtPt100铂电阻铂电阻是一种利用铂金属导体是一种利用铂金属导体电阻电阻随随温度温度变化变

8、化的特性制成的温度传感器的特性制成的温度传感器F 铂的物理、化学性能极稳定，抗氧化能力强铂的物理、化学性能极稳定，抗氧化能力强F 复制性好，易工业化生产复制性好，易工业化生产F 电阻率较高电阻率较高可用于工业检测中的精密测温和温度标准可用于工业检测中的精密测温和温度标准F 缺点：价格昂贵，温度系数偏小，受磁场影响较大缺点：价格昂贵，温度系数偏小，受磁场影响较大按按 IEC标准，铂电阻的测温范围为标准，铂电阻的测温范围为 -200650百度电阻比百度电阻比 W（100）=1.3850时，时，Ro为为100或或10，称为，称为 Pt100 铂电阻或铂电阻或 Pt10 铂电阻铂电阻铂电阻的阻值与温度

9、之间的关系：铂电阻的阻值与温度之间的关系：F 当温度当温度 t 在在 -200 0 之间时之间时 Rt = R0 1 + At + Bt2 + C ( t - 100 C ) t3 F 当温度当温度 在在 0 650 之间时之间时 Rt = R0 ( 1 + At + Bt2 ) F Rt、R0 分别为铂电阻在温度分别为铂电阻在温度 t、0 时的电阻值时的电阻值F A 10-3, B 10-7, C10-12 为为 温度系数温度系数 F 对于常用的工业铂电阻对于常用的工业铂电阻 在在 0100 范围内范围内 Rt 的表达式的表达式 可近似线性为可近似线性为 Rt = R0 ( 1 + A1t

10、) A1 温度系数，近似为温度系数，近似为 3.8510- /F Pt100 铂电阻的阻值铂电阻的阻值 0 时时 Rt =100 100 时时 Rt =138.5 F 热敏电阻热敏电阻是利用半导体电阻是利用半导体电阻阻值阻值随随温度温度变化的特性变化的特性来测量温度的来测量温度的F 电阻阻值随温度电阻阻值随温度升高升高而而减小减小，NTC型型 (负温度系数负温度系数)F 电阻阻值随温度电阻阻值随温度升高升高而而增大增大，PTC型型 (正温度系数正温度系数)F CTC型型 (临界温度临界温度) 以 上 三 种 热 敏 电 阻 特 性 曲 线 见以 上 三 种 热 敏 电 阻 特 性 曲 线 见

11、图图 3 图3F 热敏电阻电阻率大，温度系数大热敏电阻电阻率大，温度系数大F 但其非线性大，置换性差，稳定性差但其非线性大，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通常只适用于一般要求不高的温度测量F 在一定的温度范围内（小于在一定的温度范围内（小于450）热敏电阻的）热敏电阻的电 阻电 阻 Rt 与 温 度与 温 度 T 之 间 有 如 下 关 系之 间 有 如 下 关 系 Rt、R0 是温度为是温度为 T(K), T0 (K) 时的电阻值时的电阻值 B 是热敏电阻材料常数，一般情况下是热敏电阻材料常数，一般情况下 B为为 20006000K)11(00TTBTeRR对一定的热敏

12、电阻而言，对一定的热敏电阻而言，B 为常数，对上式两边取为常数，对上式两边取对数，则有对数，则有 可见，可见，lnRT 与与 1/T 成线性关系成线性关系作作 lnRT (1/T) 曲线，用直线拟合，由斜率可求出曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数常数 B0ln)011(lnRTTBRTF PN 结温度传感器结温度传感器 是利用半导体是利用半导体 PN 结的结电压结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测对温度依赖性，实现对温度检测F 电流通过时，电流通过时，PN 结的结的正向电压正向电压与与温度温度之间有良之间有良好的好的线性线性关系关系F 通常将硅三极管通常将硅三极管 b、c 极短路，用极短路，

13、用 b、e 极之间极之间的的 PN结作为温度传感器测量温度结作为温度传感器测量温度F 硅三极管基极和发射极间正向导通电压硅三极管基极和发射极间正向导通电压 Vbe一般一般约为约为 600mV（25），与温度成反比），与温度成反比F 线性良好，温度系数约为线性良好，温度系数约为 -2.3mV/F 测温精度较高测温精度较高F 测温范围可达测温范围可达 -50150F 缺点：一致性差，互换性差缺点：一致性差，互换性差通常通常 PN 结组成二极管的电流结组成二极管的电流 I 和电压和电压 U 满足满足在常温条件下，且在常温条件下，且 时，时， 可近似为可近似为 q = 1.602 10 19 C 为电

14、子电量为电子电量 k = 1.38 1 10 2 3 J/K 为波尔兹曼常数为波尔兹曼常数 T 为热力学温度为热力学温度 IS 为反向饱和电流为反向饱和电流 1/kTqUSeIIkTqUSeII/1/kTqUe正向电流保持恒定条件下，正向电流保持恒定条件下，PN 结的正向电压结的正向电压 U 和和温 度温 度 t 近 似 满 足 下 列 线 性 关 系近 似 满 足 下 列 线 性 关 系 U = K t + U g o 式中式中Ugo为半导体为半导体材料参数材料参数，K 为为 PN 结的结的结电压温结电压温度系数度系数实验测量如实验测量如 图图 4输出电流大小与温度成正比，它的输出电流大小与

15、温度成正比，它的线性线性度极好度极好温 度 适 用 范 围 ：温 度 适 用 范 围 ： - 5 5 1 5 0 灵敏度：灵敏度： 1A/K它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、线性它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点好、使用方便等特点AD590是一个二端器件是一个二端器件电路符号如电路符号如 图图 5 所示所示AD590 等效于一个高阻抗的等效于一个高阻抗的 恒流源恒流源，其输出阻抗，其输出阻抗 10 M，能大大减小因电源电压变动而产生的测温，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差误差工 作 电 压 ：工 作 电 压 ： + 4 + 3 0 V测 温 范 围 ：

16、测 温 范 围 ： - 5 5 1 5 0 热力学温度热力学温度 T 每变化每变化 1K，输出电流变化，输出电流变化 1A输出电流输出电流 I0 (A)与热力学温度与热力学温度 T（K）严格成正比）严格成正比其电流灵敏度表达式为其电流灵敏度表达式为8ln3eRkTIk 波尔兹曼常数波尔兹曼常数e 电子电量电子电量R 内部集成化电阻内部集成化电阻将将 k/e = 0.0862 mV/K，R = 538 代入得：代入得： I / T = 1 . 0 0 0 A / K T = 0（K）时）时, 输出为输出为 273.15 A8ln3eRkTIAD590 的输出电流的输出电流 I0 的微安数就代表着

17、被测温度的的微安数就代表着被测温度的热力学温度值（热力学温度值（ K）AD590的电流的电流 - 温度（温度（I - T）特性曲线）特性曲线 如如 图图6 所示所示其输出电流表达式为其输出电流表达式为 I = A t + B A 为灵敏度为灵敏度 B 为为 0 时输出电流时输出电流如需显示摄氏温标（如需显示摄氏温标（）则要加温标转换电路，其）则要加温标转换电路，其关系式为：关系式为： t = T - - 2 7 3 . 1 5 在整个测温范围内在整个测温范围内, 准确度准确度 0.5线性极好线性极好利用利用 AD590 的上述特性，在最简单的应用中，用一的上述特性，在最简单的应用中，用一个电源

18、，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温个电源，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温度的测量度的测量由于由于AD590以热力学温度以热力学温度 K定标，在摄氏温标应用定标，在摄氏温标应用中，应该进行中，应该进行的转换的转换实验测量电路如图实验测量电路如图7所示所示F 输出为输出为电压电压，且，且线性极好线性极好F 只要配上只要配上电压源电压源，数字式电压表数字式电压表就可以构成一个就可以构成一个精密数字测温系统精密数字测温系统F 利 用 下 式 可 计 算 出 被 测 温 度利 用 下 式 可 计 算 出 被 测 温 度 t （ ） : UO = KV * t = (10 mV/) * t F

19、输出电压的温度系数输出电压的温度系数 KV = 10.0 mV/即即 t ( ) = UO/ / 1 0 m V 电路符号见电路符号见 图图8， Vo为输出端为输出端LM35+-V0实验实验1 Pt100铂电阻温度特性的测量铂电阻温度特性的测量实验实验2 NTC热敏电阻温度特性的测试热敏电阻温度特性的测试实验实验3 PN结温度传感器温度特性的测试结温度传感器温度特性的测试实验实验4 电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）实验实验5 电压型集成温度传感器（电压型集成温度传感器（LM35） (1) 恒电流法恒电流法 (2) 直流电桥法直流电桥法F 插上恒流源，监测插上恒流源，监测

20、 R1上电流是否为上电流是否为 1mA ( 即即U1 = 1V，R1 = 1.00 K )F 将将控温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F 另一只待测试的另一只待测试的 Pt100 铂电阻插入另一井铂电阻插入另一井F 从室温起开始测量，然后开启加热器从室温起开始测量，然后开启加热器F 每隔每隔 10 控温系统设置一次，控温稳定控温系统设置一次，控温稳定 2 min F 用式（用式（0）测量、计算）测量、计算 Pt100 铂电阻的阻值铂电阻的阻值F 到到100止止F 用最小二乘法直线拟合，求出结果用最小二乘法直线拟合，求出结果 温 度 系 数温 度 系 数

21、 A = 相 关 系 数相 关 系 数 r = 序 号t/Rt/1202303404505606707808909100100* 一般冬季可从一般冬季可从 2080，夏季可从，夏季可从 40100，0可用冰点来测量可用冰点来测量* 如需节省时间，可每隔如需节省时间，可每隔 5控温系统设置一次控温系统设置一次F 插上桥路电源（插上桥路电源（+2V）F 将将控温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F 另一只待测试的另一只待测试的 Pt100 铂电阻插入另一井铂电阻插入另一井F 从室温起开始测试，然后开启加热器从室温起开始测试，然后开启加热器F 每隔每隔 10控

22、温系统设置一次，控温稳定控温系统设置一次，控温稳定 2minF 调整电阻箱调整电阻箱 R3 使输出电压为零，电桥平衡使输出电压为零，电桥平衡F 按式（按式（1）测量、计算待测）测量、计算待测 Pt100 铂电阻的阻值铂电阻的阻值F 用最小二乘法直线拟合，求出结果用最小二乘法直线拟合，求出结果(1) 恒电流法恒电流法(2) 直流电桥法直流电桥法与与 Pt100 铂电阻的测试相同铂电阻的测试相同F 插上恒流源，监测插上恒流源，监测 R1上电流是否为上电流是否为 1mA ( 即即 U1 = 1.00 V, R1 = 1.00 K )F 控温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉的中心井铂电阻

23、插入干井炉的中心井F 另一待测试的另一待测试的 NTC1K 热敏电阻温度传感器插入热敏电阻温度传感器插入另一井另一井F 从室温起开始测试，然后开启加热器从室温起开始测试，然后开启加热器F 每隔每隔 10 控温系统设置一次，控温稳定控温系统设置一次，控温稳定2min F 按式（按式（0）测试、计算）测试、计算 NTC1K 热敏电阻的阻值热敏电阻的阻值F 到到100止止F 将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，求出结果求出结果与与 Pt100 铂电阻的测量相同铂电阻的测量相同F 插上桥路电源（插上桥路电源（+2V）F 将将控温传感器控温传感器 Pt

24、100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F 另一只待测量的另一只待测量的 NTC1K 热敏电阻插入另一井热敏电阻插入另一井F 从室温起开始测量，然后开启加热器从室温起开始测量，然后开启加热器F 每隔每隔 10控温系统设置一次，控温稳定控温系统设置一次，控温稳定 2minF 调整电阻箱调整电阻箱 R3 使输出电压为零使输出电压为零F 按（按（1）式测量、计算得到）式测量、计算得到 NTC1K 热敏电阻的阻值热敏电阻的阻值 F 将控温传感器将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F PN 结温度传感器插入干井炉一个井内结温度传感器插入干井炉一个井内F 按要求插好连线按要求插好连线F 从室温开始测量，然后开启加热器从室温开始测量，然后开启加热器F 每隔每隔 10控温系统设置控温系统设置 温度，测量温度，测量 PN 结正向结正向 导通电压导通电压 UbeF 得到实验结果得到实验结果(1) 按面板指示要求插好连接线按面板指示要求插好连接线F 将温度设置为将温度设置为 25F 将将控温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F 温度传感器温度传感器