温度传感器实验报告

温度传感器实验报告摘要：温度是表征物体冷热程度的物理量，一般只能通过物体随温度变化的某些特征来间接测量。温度传感器就是将温度信号转换成易于传递和处理的电信号的器件。本实验通过对热电阻特性、对热电阻温差电动势以及对PN结正向降压与温度关系的测量和研究，探究了部分温度传感器的温度特性及其测温原理，从而得出不同温度传感器的特点和使用条件。关键词：温度；传感器；热电阻；电动势；降压TheReportofTemperatureSensorExperimentAbstract:Temperatureisaphysicalquantitywhichshowsthedegreeofhotandcoldofanobject.Usuallyitcanonlybemeasuredindirectlythroughsomefeatures.Atemperaturesensorisadevicethatcantransformthetemperaturesignalintotheelectricitysignalwhichiseasiertotransmitanddispose.ThisexperimentexploresthetemperaturefeatureandtheprincipalofmeasuringtemperatureofsometemperaturesensorsbyresearchonthefeatureofThermalresistance,theelectromotiveforceofThermalresistanceandtherelationshipbetweenthestep-downofPNnodeandtemperature.Keywords:temperature;sensor;Thermalresistance;electromotiveforce;step-down温度是表征物体冷热程度的物理量，一般只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。温度传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的器件，在日常生活、工业生产以及研究领域都有着广泛的应用。温度传感器的种类很多，包括电阻式传感器、半导体传感器、热电式传感器、光纤温度传感器等。本课题要求同学设计实验研究部分温度传感器的温度特性，了解其测温原理，并比较不同温度传感器的特点和适用条件。热电阻特性实验1.1实验原理1.1.1Pt100铂电阻的测温原理金属铂的电阻随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器。铂电阻温度传感器精度高，应用范围广，是中低温度（-200~650℃）最常用的一种温度检测器，被制成各种标准温度计供计量和校准使用，本实验即采用这种铂电阻作为标准测温器件来定标其他温度传感器的温度特性曲线。Pt100铂电阻的阻值随温度变化的计算公式如下：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3](-200℃<t<0℃)Rt=R0（1+At+Bt2）(0℃<t<850℃)式中Rt为Pt100铂电阻在t℃时的电阻值，系数A、B、C为：A=3.908×10-3℃-1；B=-5.802×10-7℃-2；C=-4.274×10-12℃-4。比较可知，B、C的数量级比A的小了许多倍，因此Pt100铂电阻的阻值随温度变化可以近似看成是线性的。1.1.2热敏电阻温度特性原理热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻，有负温度系数和正温度系数两种。负温度系数热敏电阻(NTC)的电阻率随着温度的升高而下降；而正温度系数热敏电阻(PTC)的电阻率随着温度的升高而升高。热敏电阻对于温度的反应要比金属电阻灵敏得多，热敏电阻的体积也可以做得很小，用它来制成的半导体温度计，已广泛地使用在自动控制和科学仪器中，并在物理、化学和生物学研究等方面得到了广泛的应用。下面以NTC为例介绍其温度特性原理。在一定温度范围内，半导体的电阻随温度变化的公式如下：RT=AeB/T对一定电阻来说，式中A和B均为常数，T为绝对温度，RT为在温度T(K)时的电阻值(Ω)。对上式两边取对数，则有：lnRT=B+lnAlnRT与成线性关系，在实验中测得各个温度T的RT值后，即可通过作图求出B和A值，代入(7)式，即可得到RT的表达式。热敏电阻的温度系数αT定义为:αT=1.1.3热电阻的二线制和三线制引线方式二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制，这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。1.2实验仪器DH-SJ型温度传感器实验装置，直流恒压恒流源，数字万用表，Pt100、NTC、PTC温度传感器，保温杯，电烧杯，冰水混合物，电阻和导线若干。1.3实验内容、结果与讨论1.3.1绘制NTC的电阻温度曲线，并研究其温度系数随温度的变化关系分别将Pt100放入冰水混合物与沸水中，测得实际温度为0℃与100℃时DH-SJ型温度传感器实验装置显示的温度，结果如下：t0=2.5℃t100=96.2℃根据此测量结果可以通过计算将从室温到100℃的实际问题对应到DH-SJ型温度传感器实验装置显示的温度，计算公式为：t表=2.5+[(t100-t0)/100]×t实=2.5+0.937×t实计算结果如下：t实/℃3035404550556065707580859095100t表/℃30.635.340.044.749.454.058.763.468.172.877.582.186.891.596.2表1根据上一步中计算得到的温度t表，以Pt100作为标准测温器件来定标，用数字万用表测出每个温度下对应的NTC温度传感器的电阻R1，实验结果及相关的数据处理如下：t实/℃t表/℃NTC电阻RT/kΩT/KlnRT1/T(-10-3)3030.63.499303.28.16023.2983535.32.894308.27.97043.2454040.02.400313.27.78323.1934544.72.011318.27.60643.1435049.41.675323.27.42363.0945554.01.412328.27.25283.0476058.71.196333.27.08673.0016563.41.016338.26.92362.9577068.10.866343.26.76392.9147572.80.7403348.26.60712.8728077.50.6356353.26.45462.8318582.10.5479358.26.30612.7929086.80.4721363.26.15722.7539591.50.4094368.26.01472.716表2(3)根据表2利用OriginPro8绘制lnRT-1/T关系曲线如下：lnRT-1/T关系曲线由此可知，lnA=-3.98,则A=e-3.98Ω=1.87×10-2ΩB=3.68×103KRT=AeB/T=1.87×10-2exp(3.68×103/T)(4)根据(3)中求出的公式RT=AeB/T=1.87×10-2exp(3.68×103/T)，利用OriginPro8绘制NTC的电阻温度曲线RT-T关系曲线如下：NTC的RT-T关系曲线(5)根据公式αT=可得：αT==-3.68×103/T2利用OriginPro8绘制αT-T关系曲线如下：NTC的αT-T关系曲线1.3.2绘制PTC的电阻温度曲线，并研究其温度系数随温度的变化关系根据计算得到的温度t表，以Pt100作为标准测温器件来定标，用数字万用表测出每个温度下对应的PTC温度传感器的电阻R2，实验结果如下：t实/℃t表/℃PTC电阻RT/ΩT/K3030.6339.8303.23535.3346.6308.24040.0357.6313.24544.7373.2318.25049.4396.8323.25554.0429.0328.26058.7475.8333.26563.4544.6338.27068.1649.7343.27572.8815.1348.28077.51065353.28582.11497358.29086.82808363.29591.56081368.210096.216350373.2表3根据上述表格利用OriginPro8绘制PTC的电阻温度曲线如下：PTC的RT-T关系曲线由此可知，RT=1.05×10-28exp(T/5.04)+496根据公式αT=可得：αT=0.208*exp(T/5.04)/(1.05*exp(T/5.04)+496×1028)≈0.208/1.05=0.198即PTC的温度系数为常数0.198.1.4讨论若恒温炉的升温电流过高，会对实验结果带来什么样的问题？若恒温炉的升温电流过高会导致加热过快，从而使测得的NTC电阻值偏小而PTC电阻值偏大。金属电阻、NTC和PTC三者之间的温度特性有何区别？金属电阻的阻值与温度成线性，NTC与PTC则不是。其中NTC的电阻随温度升高而下降，PTC的电阻随温度升高而升高。为何热电阻的三线制引线方式可以减小引线电阻带来的影响？因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥，热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连线导线也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。热电偶温差电动势测量与研究2.1实验原理2.1.1热电偶将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个接触点之间存在温差时，回路内便产生电动势，这种现象称为热电效应或称塞贝克效应。热电偶就是利用这一效应来工作的，它能将对温度的测量直接转换成对电势的测量，是工业上最常用的温度检测元件之一。2.1.2温差电动势当组成热电偶的材料一定时，温差电动势Ex仅与两接点处的温度有关，并且与两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式：EX=α(Th-Tc)式中α称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶，α是不同的。Th为工作端温度，Tc为冷端的温度。2.1.3热电偶温度计为了测量温差电动势，需要在回路中接入电位差计，但测量仪器的引入不能影响热电偶在一定的温差T-Tc下应有的电动势EX值。要做到这一点，实验时应保证一定的条件。根据伏打定律，即在A、B两种金属之间插入第三种金属C时，若它与A、B的两连接点处于同一温度Tc，则该闭合回路的温差电动势与上述只有A、B两种金属组成回路时的数值完全相同。所以，实验中把A、B两根不同化学成份的金属丝的一端焊在一起，构成热电偶的热端(工作端)。将另两端各与铜引线(即第三种金属C)焊接，构成两个同温度(Tc)的冷端(自由端)。铜引线与电位差计相连，这样就组成一个热电偶温度计。通常将冷端置于冰水混合物中，保持Tc=0℃，将热端置于待测温度处，即可测得相应的温差电动势，再根据事先校正好的曲线或数据来求出温度Th。热电偶温度计的优点是热容量小，灵敏度高，反应迅速，测温范围广，能直接把非电学量温度转换成电学量。因此，在自动测温、自动控温等系统中得到广泛应用。2.2实验仪器DH-SJ型温度传感器实验装置，直流恒压恒流源，数字万用表，Pt100、热电偶，保温杯，电烧杯，冰水混合物，电阻和导线若干。2.3实验内容、结果与讨论2.3.1绘制热电偶的温度特性曲线(1)根据计算得到的温度t表，以Pt100作为标准测温器件来定标，用数字万用表测出每个温度下对应的热电偶的温差电动势EX，实验结果如下：t实/℃t表/℃T/KEx/mV3030.6303.21.313535.3308.21.504040.0313.21.704544.7318.21.905049.4323.22.095554.0328.22.296058.7333.22.496563.4338.22.707068.1343.22.927572.8348.23.138077.5353.23.358582.1358.23.569086.8363.23.789591.5368.24.0010096.2373.24.22表4根据表4利用OriginPro8绘制热电偶的温度特性曲线如下：Ex-ΔT关系曲线由此可知，Ex=-11.4+0.0416ΔT2.3.2计算热电偶的温差电系数根据公式EX=α(Th-Tc)可得α=EX/(Th-Tc)，计算得热电偶的温差电系数α=0.0416(mV/℃)2.4讨论：比较热电偶和热敏电阻在温度特性方面的区别.热电偶和热敏电阻在温度特性方面的区别在于：热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、且需要参考温度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是非线性，且一致性较差，这对于仪表的校准和调节均会带来不便。PN结正向压降与温度关系的研究和应用3.1实验原理3.1.1PN结正向降压PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式如下：VF=V1+Vn1其中,。其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数，r也是常数；Vg(0)为绝对零度时PN结材料的带底和价带顶的电势差。它是PN结温度传感器的基本方程。令IF=常数，则正向压降只随温度而变化，只不过在方程中包含了非线性项Vn1。可以证明，在室温范围附近，Vn1项所引起的线性误差很小，因此可以忽略。3.1.2PN结的线性响应

设温度由T1变为T时，正向电压由VF1变为VF，按理想的线性温度响应，结合PN结正向压降作为电流和温度函数的表达式，可得如下式子：3.2实验仪器DH-SJ型温度传感器实验装置，直流恒压恒流源，数字万用表，PN结，保温杯，电烧杯，冰水混合物，电阻和导线若干。参考电路图3.3实验内容、结果与讨论3.3.1保持IF=100μA，测量0℃下的VF(0)在九孔板上搭建好如下所示的电路后，将PN结插入冰水混合物中，保持IF=100μA，测量0℃下的VF(0)。测量结果为VF(0)=0.613V。3.3.2绘制PN结的正向压降与温度的关系曲线ΔV-T曲线根据计算得到的温度t表，以Pt100作为标准测温器件来定标，用数字万用表测出每个温度下对应的PN结正向降压，实验结果如下：t实/℃t表/℃T/KVF/VΔV=VF-VF(0)/V3030.6303.20.534-0.0793535.3308.20.522-0.0914040.0313.20.511-0.1024544.7318.20.499-0.1145049.4323.20.488-0.1255554.0328.20.476-0.1376058.7333.20.465-0.1486563.4338.20.453-0.1607068.1343.20.441-0.1727572.8348.20.429-0.1848077.5353.20.418-0.1958582.1358.20.406-0.2079086.8363.20.394-0.2199591.5368.20.382-0.23110096.2373.20.379-0.234表5根据表5利用OriginPro8绘制PN结的正向压降与温度的关系曲线ΔV-T曲线如下：ΔV-T关系曲线由此可知，ΔV=0.616-2.29×10-3T3.3.3计算被测PN结正向压降随温度变化的灵敏度S(mV/℃)根据上面求出的公式ΔV=0.616-2.29×10-3T，可以计算得到：S=2.29(mV/℃)3.3.4估算被