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1、 目 录引言11 温度传感器的类型12 温度传感器的特性测量22.1 实验仪器简介22.2 PN结温度传感器的温度特性测量22.3 电压型集成温度传感器（LM35）输出电压与温度特性的测量42.4 负温度系数热敏电阻（NTC 1K）温度传感器温度特性的测量63 不同温度传感器的数字温度计的设计83.1 PN结数字温度计的设计83.2 LM35数字温度计的设计93.3 NTC 1k数字温度计的设计103.4不同温度传感器的温度计评估104 温度传感器的应用及发展前景114.1 温度传感器的应用114.2 温度传感器的发展前景11结束语12参考文献12英文摘要12致谢13忻州师范学院物理系本科毕业
2、论文（设计） 温度传感器的特性研究物理系1003班 姓 名 马 娇 指导教师 李建英 摘要：温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，通过检测物理量而可知其温度的器件。本文从实验角度研究PN结、LM35、NTC 1K温度传感器的温度特性。在此基础上对其定标并设计数字温度计，与传统温度计进行测温比较，显示出PN结、LM35、NTC 1K数字温度计在测温方面具有精度高，反应快，读数简单等优越性。最后探讨了数字温度计的应用领域和发展前景。关键词：温度传感器；PN结；数字温度计引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，是一个与人们生活环境密切相关的物理量, 也是一种在生产、科研、生活中需要测量
3、和控制的重要物理量,是国际单位制七个基本量之一。传统温度计在测量的过程中，往往有一定的限制性，不容易测量，而且很容易产生误差，测量结果不准确。最早的温度传感器大约是380年前伽利略制成的气体膨胀式温度计，伴随着材料和加工技术的发展,温度传感器逐渐发展成目前应用最广泛的一种传感器。温度传感器的出现，给温度的测量带来一定的便利性和可操作性，尤其是数字温度计的出现，它克服了传统温度计的一系列缺点，因此被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等领域。因为温度传感器还有发展的空间，所以研究本课题具有重要的意义。1 温度传感器的类型 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。从17世纪初人们开始利用温度进
4、行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。 表1.1 常用的温度传感器类型与应用 类 型 传 感 器测温范围/ 特 点 热 电 阻铂电阻-200650准确度高铜电阻-50150测量范围大半导体热敏电阻-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
5、用不方便（零点补偿）铂铑-铂铑01600镍-镍硅01000镍铬-康铜-200750铁康铜-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2 温度传感器的特性测量2.1 实验仪器简介 FD-BHM-B温度传感器特性及人体温度测量试验仪是用于测量PN结温度传感器、LM35温度传感器、NTC 1K 温度传感器的温度特性。FD-BHM-B温度传感器特性及人体温度测量试验仪通电后除了测量仪表、放大器及实验电源外，实验电路要插上仪器提供的直流稳压电源（+5v)后才能工作。加热前先调好控温仪，按面板电路图指示插好实验电路，将控温传感器（Pt
6、100）插入干井式恒温加热炉的一个井孔，待测传感器插入另一井孔就能进行实验。为节省时间可同时进行多种传感器的实验，只要把数字电压表分别测量待测传感器输出即可。图2.1 FD-BHM-B实物图2.2 PN结温度传感器的温度特性测量2.2.1 PN结温度传感器的测温原理 PN结温度传感器是利用半导体PN结的正向结电压对温度依赖性实现对温度检测的，实验证明在一定电流通过的情况下，PN结的正向电压与温度之间有较好的线性关系。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一般约600mV（25），且与温度成反比。线性良好，温度系数约为-2.3mV
7、/，测量精度高，测温范围可达-50150。 通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足2.1式 (2.1) 在常温条件下，且U0.1V时，2.1式可近似为： (2.2) 2.2式中；玻尔兹曼常数；T为热力学温度；Is为反向饱和电流。正向电流保持恒定且电流较小条件下，PN结的正向电压U和热力学温度T近似满足下列线性关系 (2.3) （2.3式中为半导体材料在T=0K时的禁带宽度，B为PN结的结电压温度系数。）R+5v10K90131KR2.2图2.2 PN结原理图实验测量如图2.2。图用+5v恒压源使流过PN结的电流约为400（25）。测量是用、两端，作传感器应用时从输出。2.2.2 实验内容将控
8、温传感器Pt100铂电阻插入干井式恒温加热炉中心井，PN结温度传感器插入干井式恒温加热炉另一个井内。按要求连接线路。从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10.0控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压的测量。2.2.3 实验数据及处理 表2.1 PN结电压与温度的关系 1 2 3T/T/T/26.20.59123.70.59723.50.59830.00.58330.00.58430.00.57740.00.56140.00.56140.00.55850.00.53850.00.53750.00.53560.00.51460.00.51460.00.51170.00.48770.00.4897
9、0.00.48980.00.46880.00.46780.00.456 图2.3 PN结正向导通电压与温度的关系 从图2.3可以看出PN结的导通电压与T呈线性关系,利用最小二乘法计算U-T的拟合线段方程y=a+bx,得：a=0.65351，b=-0.00233。U-T线段的方程为U=0.65351-0.00233T，即按照电压计算时的灵敏度为-2.33mV/。 PN结的灵敏度是-2.30 /，所以，灵敏度误差 实验证明在一定电流通过的情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。2.3 电压型集成温度传感器(LM35)输出电压与温度特性的测量2.3.1 LM35温度传感器的测温原理 LM
10、35温度传感器，标准T0-92工业封装，因为其输出的是与温度对应的电压(10.00mV/)，且线性极好，只要配上电压源，数字电压表就可以够成一个精密数字测温系统。输出电压的温度系数K=10.00mV/,利用2.4式可计算出被测温度t(): (2.4) 即 (2.5)LM352.4+-图2.4 LM35电路符号LM35温度传感器电路符号见图2.4，为输出端。实验测量时只要直接测量输出端电压，即知待测的温度。2.3.2 实验内容将控温传感器Pt100铂电阻插入干井式恒温加热炉中心孔，开始从室温测量，然后开启加热器，每隔10.0控温系统设置一次，控温后恒定2min测传感器LM35的输出电压。2.3.
11、3 实验数据 表2.2 集成温度传感器LM35输出电压与温度的关系 1 2 3T/T/T/26.20.25923.70.23123.50.27730.00.29430.00.29130.00.31140.00.39240.00.39140.00.40350.00.49850.00.49550.00.50260.00.60360.00.60060.00.60970.00.72070.00.70770.00.71080.00.80980.00.80680.00.848 图2.5 LM35输出电压与温度关系 从图2.5可以看出LM35的与T呈线性关系，利用最小二乘法计算U-T的拟合线段方程y=a+b
12、x，得：a=-0.01704，b=0.01029。U-T线段的方程为U=-0.01704+0.01029T，即按照电压计算时的灵敏度为10.29mV/。 LM35的灵敏度是10.00mV/，所以，灵敏度误差 实验证明在一定电流通过的情况下，LM35的输出电压与温度之间有良好的线性关系。+5v10KR1KNTC 1K图2.6 NTC 1K电路图2.4 负温度系数热敏电阻（NTC 1K）温度传感器温度特性的测量2.4.1 NTC 1K温度传感器的测温原理恒压源电流法测量热电阻，电路如图2.6所示，电源采用恒压源，R1为已知数值的固定电阻，Rt为热电阻。为R1上的电压，为Rt上的电压，Ur1用于监测电路的电流。当电压、温度恒定时则 一定，电流Io则为Ur1/R1。测出热电阻两端电压，即可知被测热电阻的阻值。当电路电流为Io，温度为T时，热电阻Rt为： (2.6) 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，分成NTC型（负温度系数热敏电阻）、PTC型（正温度系数热敏电阻）和CTC（临界温度热敏电阻）。NTC型热敏电阻阻值
