溫度傳感器論文

1、溫度傳感器實(shí)驗(yàn)摘 要： 實(shí)驗(yàn)以Pt100作為標(biāo)準(zhǔn)測溫器件來研究實(shí)驗(yàn)室中各種溫度傳感器的溫度特性，比較它們之間的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，對(duì)于了解它們的工作特點(diǎn)以及日后選用合適的溫度傳感器方面有很大幫助。關(guān)鍵詞： 溫度傳感器；熱敏電阻；熱電偶；PN結(jié)Experiments On Temperature SensorAbstract: Experiments used Pt100 as standards to research the temperature characteristics of different temperature sensors and compared similarities

2、 and differences between them which is of great help for us to understand the way they work and to choose appropriate temperature sensors later in life and work.key words: Temperature sensor； thermistor； thermocouple； PN junction 溫度是表征物體冷熱程度的物理量，一般只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。溫度傳感器就是將溫度信息轉(zhuǎn)換成易于傳遞和處理的電信號(hào)的器件，

3、在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。溫度傳感器的種類很多，它們都有著各自的優(yōu)點(diǎn)與局限性。了解溫度傳感器的測溫原理、工作特性上的差異對(duì)于日后工作生活中選取和使用溫度傳感器有很大幫助。1、實(shí)驗(yàn)方法1.1 公式推導(dǎo)1.1.1 敏電阻阻值與溫度的關(guān)系在一定的溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體的電阻率r和溫度T 之間有如下關(guān)系： （1.1）式中A1 和B 是與材料物理性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度。對(duì)于截面均勻的熱敏電阻，其阻值可用下式表示： (1.2)將（1.2）式代入（1.1）式，令，于是可得： （1.3）對(duì)一定的電阻而言，A 和B 均為常數(shù)。對(duì)(1.3)式兩邊取對(duì)數(shù)，則有： （1.4）式中為在溫度T(K)時(shí)的電阻值()，

4、A 為在某溫度時(shí)的電阻值()，B為常數(shù)(K)，其值與半導(dǎo)體材料的成分和制造方法有關(guān)。1.1.2 PN結(jié)正向壓降與溫度的關(guān)系理想的PN 結(jié)的正向電流IF 和正向壓降VF 存在如下近關(guān)系式： （2.1）其中q為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；為反向飽和電流。是一個(gè)和PN結(jié)材料的禁帶寬度以及溫度有關(guān)的系數(shù)，可以證明： （2.2）其中C是與結(jié)面積、摻質(zhì)濃度等有關(guān)的常數(shù)，r也是常數(shù)（r的數(shù)值取決于少數(shù)載流子遷移率對(duì)溫度的關(guān)系，通常取r=3.4）；為絕對(duì)零度時(shí)PN 結(jié)材料的帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱莶?。將?.2）式代入（2.1）式，兩邊取對(duì)數(shù)可得： （2.3）其中， 。方程(2.3)就是PN結(jié)正向壓降

5、作為電流和溫度函數(shù)的表達(dá)式，它是PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。令=常數(shù)，則正向壓降只隨溫度而變化，只不過在方程(2.3)中包含了非線性項(xiàng)?？梢宰C明，在室溫范圍附近，項(xiàng)所引起的線性誤差很小，因此可以忽略。下面研究PN結(jié)的線性響應(yīng)，設(shè)溫度由變?yōu)闀r(shí)，正向電壓由變?yōu)?，按理想的線性溫度響應(yīng)，應(yīng)取如下形式： (2.4)由(2.3)式可得： （2.5）所以，有：1.2 熱電偶原理將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖2-1所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)接觸點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，回路內(nèi)便產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)（或稱塞貝克效應(yīng)）。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的，它能將對(duì)溫度的測量直接轉(zhuǎn)

6、換成對(duì)電勢的測量，是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。圖1 熱電偶原理圖圖2 熱電偶的一種引線示意圖當(dāng)組成熱電偶的材料一定時(shí)，溫差電動(dòng)勢Ex僅與兩接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，并且與兩接點(diǎn)的溫差在一定的溫度范圍內(nèi)有如下近似關(guān)系式：式中稱為溫差電系數(shù)，對(duì)于不同金屬組成的熱電偶是不同的，其數(shù)值上等于兩接點(diǎn)溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢。為工作端溫度，為冷端的溫度。為了測量溫差電動(dòng)勢，就需要在圖1的回路中接入電位差計(jì)，但測量儀器的引入不能影響熱電偶原來的性質(zhì)，例如不影響它在一定的溫差T-Tc下應(yīng)有的電動(dòng)勢Ex值。要做到這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保證一定的條件。根據(jù)伏打定律，即在A、B兩種金屬之間插入第三種金屬C時(shí)，若它與A、B

7、的兩連接點(diǎn)處于同一溫度Tc，則該閉合回路的溫差電動(dòng)勢與上述只有A、B兩種金屬組成回路時(shí)的數(shù)值完全相同。所以，我們把A、B兩根不同化學(xué)成份的金屬絲的一端焊在一起，構(gòu)成熱電偶的熱端(工作端)。將另兩端各與銅引線(即第三種金屬C)焊接，構(gòu)成兩個(gè)同溫度(Tc)的冷端(自由端)。銅引線與電位差計(jì)相連，這樣就組成一個(gè)熱電偶溫度計(jì)，如圖2所示。通常將冷端置于冰水混合物中，保持Tc=0，將熱端置于待測溫度處，即可測得相應(yīng)的溫差電動(dòng)勢，再根據(jù)事先校正好的曲線或數(shù)據(jù)來求出溫度Th。1.3 三線制接法熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。這是因?yàn)闇y量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電

8、阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，其連接導(dǎo)線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、數(shù)據(jù)處理與討論·2.1 實(shí)驗(yàn)步驟以Pt100 作為標(biāo)準(zhǔn)測溫器件來定標(biāo)實(shí)驗(yàn)室中的NTC和PTC溫度傳感器，繪制熱電偶和PN結(jié)溫度傳感器溫度特性曲線，溫度范圍控制在室溫到100之間。·2.2 數(shù)據(jù)處理與討論·2.2.1 熱敏電阻特性實(shí)驗(yàn)表1 NTC與PTC電阻隨溫度變化數(shù)據(jù)T/kR1/ R2/ 1

9、/T(1/k)lnR1lnR2305.733970378.53.27E-038.2865.936309.703442381.53.23E-038.1445.944313.672970385.43.19E-037.9965.954317.642570393.53.15E-037.8525.975321.612232407.53.11E-037.7116.010325.591947423.73.07E-037.5746.049329.561706444.53.03E-037.4426.097333.531470473.03.00E-037.2936.159337.501290518.22.96E-

10、037.1626.250341.471128572.02.93E-037.0286.349345.459830648.42.89E-036.8916.475349.42873.0745.72.86E-036.7726.614353.39760.0910.02.83E-036.6336.813357.36667.011402.80E-036.5037.039注：R1為NTC電阻，R2為PTC電阻圖3 NTC溫度傳感器電阻溫度曲線由圖3以及擬合曲線可以看出，lnR1與1/T成線性關(guān)系，滿足函數(shù)表達(dá)式：，由此可以得出=-4.027，于是=0.0178。圖4 PTC溫度傳感器電阻溫度曲線如圖4所示，l

11、nR2與T并不成簡單的線性關(guān)系，通過擬合可知，lnR2與T滿足函數(shù)表達(dá)式：也即R2與e的T次方的一個(gè)函數(shù)表達(dá)式是成線性關(guān)系的。由熱敏電阻溫度系數(shù)的定義式可以求出NTC的溫度系數(shù)表達(dá)式為，對(duì)應(yīng)的曲線如下圖：圖5 NTC溫度系數(shù)曲線PTC的溫度系數(shù)表達(dá)式為圖像如下：圖6 PTC溫度系數(shù)曲線比較兩種熱敏電阻的溫度特性曲線可以看出，NTC的電阻隨溫度的升高而下降，屬于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻；PTC的電阻隨溫度的升高而增大，屬于正溫度系數(shù)熱敏電阻。而金屬熱電阻一般隨著溫度升高電阻減小。實(shí)驗(yàn)過程中要控制加熱電流不能過高，否則極易超過設(shè)定的溫度，而降溫又很麻煩，影響實(shí)驗(yàn)的效率。·2.2.2 熱電偶溫差

12、電動(dòng)勢測量與研究表2 熱電偶溫差電動(dòng)勢與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)絕對(duì)溫度T（K）Th-Tc(K)熱電偶電壓（v）300.8327.680.00117305.9432.790.00138311.0537.900.00160316.1543.000.00183321.2648.110.00204326.3753.220.00224331.4758.320.00251336.5863.430.00278341.6968.540.00305346.8073.650.00331351.9078.750.00356357.0183.860.00369362.1288.970.00395367.2394.080.004

13、22372.3399.180.00447注：Tc為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的絕對(duì)溫度圖7 熱電偶溫度特性曲線由熱電偶溫度特性曲線圖像可以看出，熱電偶的電阻與實(shí)驗(yàn)溫度和攝氏零度對(duì)應(yīng)的絕對(duì)溫度只差T成線性關(guān)系，且滿足表達(dá)式：，因而可以知道熱電偶的溫差系數(shù)=4.655E-5。比較熱電偶與熱敏電阻試驗(yàn)中所用的兩種電阻可以知道，熱電偶的靈敏度要比熱敏電阻低，而且還需要一個(gè)參考溫度，但從另一方面來看，它卻比熱敏電阻有更好的線性，在實(shí)際操作中調(diào)節(jié)起來相對(duì)而言會(huì)更方便。·2.2.3 PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究和應(yīng)用表3 PN結(jié)正向電壓與溫度數(shù)據(jù)絕對(duì)溫度（T）PN結(jié)電壓（V）273.150.618300.83

14、0.556305.94 0.544311.05 0.533316.15 0.521321.26 0.509326.37 0.498331.47 0.486336.58 0.472341.69 0.461346.80 0.450351.90 0.438357.01 0.425362.12 0.413367.23 0.401372.33 0.387圖8 PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系曲線從數(shù)據(jù)表格中我們可以得到0下的從圖中可以看出，PN結(jié)的正向壓降與溫度成線性關(guān)系，經(jīng)過擬合可以得出曲線滿足表達(dá)式：。單位轉(zhuǎn)換后可以得到PN結(jié)正向壓降隨溫度變化的靈敏度S=-2.35mV/。由公式可以得到1.26V，所以，與

15、公認(rèn)值比較，誤差約為4.13%.通過公式推導(dǎo)可以得到和滿足如下表達(dá)式：，所以與成線性關(guān)系，斜率就是。根據(jù)表4中實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)做出0下-曲線如下：圖9 V與lnI曲線圖表4 VF與lnI實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)I/mAVF/VlnI0.0300.592-3.5070.0400.597-3.2190.0500.602-2.9960.0600.607-2.8130.0800.612-2.5260.0900.617-2.4080.150.628-1.8970.170.630-1.7720.180.632-1.7150.200.634-1.6090.220.636-1.5140.240.638-1.4270.260.6

16、40-1.3470.280.642-1.2730.270.641-1.3090.310.644-1.1710.340.647-1.0790.370.649-0.9943經(jīng)過擬合可以知道直線的滿足表達(dá)式：，通過斜率與k的關(guān)系可以推算出k=1.34E-23J/K。與公認(rèn)值k=1.3806505E-23J/K進(jìn)行比較，誤差約為2.9%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著溫度的升高，PN結(jié)隨溫度變化的線性變差。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體中有許多帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷的電離雜質(zhì)。在電場的作用下，空穴是可以移動(dòng)的，而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動(dòng)的。N型半導(dǎo)體中有許多可動(dòng)的負(fù)電子和固定的正離子。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在界面附近空穴從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，電子從N型半導(dǎo)體向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散。溫度升高會(huì)使得熱運(yùn)動(dòng)加快，使得電阻的線性變差。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選取較小的工作電流。大電流的熱效應(yīng)比小電流更明顯，而溫度對(duì)PN結(jié)的線性有著較大的影響，所以選用較小的工作電流可以在較長