《温度传感器的温度特性测量及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温度传感器的温度特性测量及应用（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理实验设计与应用 （高中）,朱炯明 上海师范大学 数理信息学院,物理实验设计与应用,三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用 四 温度传感器的温度特性测量及应用 五 光敏传感器的光电特性测量及应用,温度传感器的温度特性测量及应用,目的要求 实验仪器 实验原理 实验内容 思考题 附录,1. 学习用恒电流法测量热电阻 2. 学习用直流电桥法测量热电阻 3. 测量铂电阻温度传感器 (Pt100) 的温度特性 4. 测量热敏电阻（负温度系数）温度传感器 NTC1K的温度特性 5. 测量PN结温度传感器的温度特性 6. 测量电流型集成温度传感器（AD590）的温度特性 7. 测量电压型集成温度传感器
2、（LM35）的温度特性,目的要求,FD-TTT-A 温度传感器温度特性实验仪 的组成： 高准确度控温恒温加热系统 恒流源 直流电桥 Pt100 铂电阻温度传感器 NTC1K 热敏电阻温度传感器 PN 结温度传感器 电流型集成温度传感器 AD590 电压型集成温度传感器 LM35 数字电压表 实验插接线 等,实验仪器,“温度”是一个重要的热学物理量 和我们的生活环境密切相关 对实验及生产的结果至关重要 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,实验原理,实验原理,1. 恒电流法测量热电阻 2. 直流电桥法测量
3、热电阻 3. Pt100 铂电阻温度传感器 4. 热敏电阻 ( NTC1K ) 温度传感器 5. PN 结温度传感器 6. 电流型集成温度传感器（AD590） 7. 电压型集成温度传感器（LM35）,1. 恒电流法测量热电阻,电路如 图1 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 用于监测电路的电流 Urt 为 Rt 上的电压 当电路电流为 I0 , 温度为 t 时，热电阻Rt 为,2. 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2 所示,直流平衡电桥,把四个电阻 R1, R2, R3, Rt 连成一个四边形回路 ABCD 每条边
4、称作电桥的一个 “桥臂” 在对角接点 A、C 之间连入直流电源 E 在对角接点 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”,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 UAB =UAD , UBC = UDC 电流 Ig =0, 流过电阻 R1、R3 的电流相等，I1 = I3 同理 I2 = IRt 又 I1R1 = I2R2 IRtRt = I3R3 因此,直流平衡电桥,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 可用于工业检测
5、中的精密测温和温度标准 缺点：价格昂贵，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 -200650,3. Pt100铂电阻温度传感器,百度电阻比 W（100）=1.3850时，Ro为100或10，称为 Pt100 铂电阻或 Pt10 铂电阻 铂电阻的阻值与温度之间的关系： 当温度 t 在 -200 0 之间时 Rt = R0 1 + At + Bt2 + C ( t - 100C ) t3 当温度 在 0 650 之间时 Rt = R0 ( 1 + At + Bt2 ) Rt、R0 分别为铂电阻在温度 t、0 时的电阻值 A 10-3, B 10-7, C10-12 为
6、温度系数,3. Pt100铂电阻温度传感器,对于常用的工业铂电阻 在 0100 范围内 Rt 的表达式 可近似线性为 Rt = R0 ( 1 + A1t ) A1 温度系数，近似为 3.8510- / Pt100 铂电阻的阻值 0 时 Rt =100 100 时 Rt =138.5 ,3. Pt100铂电阻温度传感器,4. 热敏电阻(NTC1K)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 电阻阻值随温度升高而减小，NTC型 (负温度系数) 电阻阻值随温度升高而增大，PTC型 (正温度系数) CTC型 (临界温度) 以上三种热敏电阻特性曲线见 图 3,图3,热敏电阻电阻
7、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 在一定的温度范围内（小于450）热敏电阻的电阻 Rt 与温度 T 之间有如下关系 Rt、R0 是温度为 T(K), T0 (K) 时的电阻值 B 是热敏电阻材料常数，一般情况下 B为 20006000K,4. 热敏电阻(NTC1K)温度传感器,对一定的热敏电阻而言，B 为常数，对上式两边取对数，则有 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,4. 热敏电阻(NTC1K)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，
8、实现对温度检测 电流通过时，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），与温度成反比 线性良好，温度系数约为 -2.3mV/,5. PN 结温度传感器,测温精度较高 测温范围可达 -50150 缺点：一致性差，互换性差,5. PN 结温度传感器,通常 PN 结组成二极管的电流 I 和电压 U 满足 在常温条件下，且 时， 可近似为 q = 1.602 10 19 C 为电子电量 k = 1.38 1 10 23 J/K 为波尔兹曼常数 T
9、 为热力学温度 IS 为反向饱和电流,5. PN 结温度传感器,5. PN 结温度传感器,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 + Ugo 式中Ugo为半导体材料参数，K 为 PN 结的结电压温度系数 实验测量如 图 4,6. 电流型集成温度传感器（AD590）,输出电流大小与温度成正比，它的线性度极好 温度适用范围： -55150 灵敏度： 1A/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,6. 电流型集成温度传感器（AD590）,AD590 等效于一个高阻抗
10、的 恒流源，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误差 工作电压： +4 +30V 测温范围： -55 150 热力学温度 T 每变化 1K，输出电流变化 1A 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,6. 电流型集成温度传感器（AD590）,k 波尔兹曼常数 e 电子电量 R 内部集成化电阻 将 k/e = 0.0862 mV/K，R = 538 代入得： I / T = 1.000A/K T = 0（K）时, 输出为 273.15 A,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 -
11、 温度（I - T）特性曲线 如 图6 所示,6. 电流型集成温度传感器（AD590）,其输出电流表达式为 I = A t + B A 为灵敏度 B 为 0 时输出电流 如需显示摄氏温标（）则要加温标转换电路，其关系式为： t = T - 273.15 在整个测温范围内, 准确度 0.5 线性极好,6. 电流型集成温度传感器（AD590）,6. 电流型集成温度传感器（AD590）,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，应该进行的转换 实验测量电路如图7所示,输出为电压，且线
12、性极好 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 利用下式可计算出被测温度 t（）: UO = KV * t = (10 mV/) * t 输出电压的温度系数 KV = 10.0 mV/ 即 t() = UO/10 mV 电路符号见 图8， Vo为输出端,7. 电压型集成温度传感器（LM35）,实验内容,实验1 Pt100铂电阻温度特性的测量 实验2 NTC热敏电阻温度特性的测试 实验3 PN结温度传感器温度特性的测试 实验4 电流型集成温度传感器（AD590） 实验5 电压型集成温度传感器（LM35）,1. Pt100铂电阻温度特性的测量,(1) 恒电流法 (2) 直流电桥
13、法,(1) 恒电流法,插上恒流源，监测 R1上电流是否为 1mA ( 即U1 = 1V，R1 = 1.00 K ) 将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 另一只待测试的 Pt100 铂电阻插入另一井 从室温起开始测量，然后开启加热器 每隔 10 控温系统设置一次，控温稳定 2 min 用式（0）测量、计算 Pt100 铂电阻的阻值 到100止 用最小二乘法直线拟合，求出结果,(1) 恒电流法,温度系数 A = 相关系数 r =,(1) 恒电流法,* 一般冬季可从 2080，夏季可从 40100，0可用冰点来测量 * 如需节省时间，可每隔 5控温系统设置一次,(2) 直流电桥法,插上
14、桥路电源（+2V） 将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 另一只待测试的 Pt100 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 10控温系统设置一次，控温稳定 2min 调整电阻箱 R3 使输出电压为零，电桥平衡 按式（1）测量、计算待测 Pt100 铂电阻的阻值 用最小二乘法直线拟合，求出结果,2. NTC热敏电阻温度特性的测试,(1) 恒电流法 (2) 直流电桥法,(1) 恒电流法,与 Pt100 铂电阻的测试相同 插上恒流源，监测 R1上电流是否为 1mA ( 即 U1 = 1.00 V, R1 = 1.00 K ) 控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉的
15、中心井 另一待测试的 NTC1K 热敏电阻温度传感器插入另一井 从室温起开始测试，然后开启加热器 每隔 10 控温系统设置一次，控温稳定2min,(1) 恒电流法,按式（0）测试、计算 NTC1K 热敏电阻的阻值 到100止 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,(2) 直流电桥法,与 Pt100 铂电阻的测量相同 插上桥路电源（+2V） 将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 另一只待测量的 NTC1K 热敏电阻插入另一井 从室温起开始测量，然后开启加热器 每隔 10控温系统设置一次，控温稳定 2min 调整电阻箱 R3 使输出电压为零 按（1）式测量、计算得到 NTC1K 热敏电阻的阻值,3. PN结温度传感器温度特性的测试,将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 PN 结温度传感器插入干井炉一个井内 按要求插好连线 从室温开始测量，然后开启加热器 每隔 10控温系统设置 温度，测量 PN 结正向 导通电压 Ube 得到实验结果,4. 电流型集成温度传感器（AD590）,(1) 按面板指示要求插好连接线 将温度设置为 25 将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 温度传感器 AD590 插入
