溫度傳感器特性論文

1、摘要本課題通過實(shí)驗(yàn)對不同類型的半導(dǎo)體PN結(jié)器件進(jìn)行正向壓降與溫度特性的測量，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過整理、分析、比較、綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中比較各器件靈敏度，線性度的優(yōu)劣，為溫度傳感器選擇提供依據(jù)。主要分析了不同型號的二極管的溫度特性，不同型號的四種溫度傳感器的探究，各種型號的不同參數(shù)在一定的條件下隨溫度的變化關(guān)系，主要測量的傳感器有：鉑電阻；半導(dǎo)體熱敏電阻；PN結(jié)； AD590等。關(guān)鍵詞鉑電阻；半導(dǎo)體熱敏電阻；PN結(jié)；（AD590）；溫度傳感器緒 言傳統(tǒng)的溫度計(jì)在測量的過程中，往往有一定的限制性，不容易測量，而且很容易產(chǎn)生誤差，測量結(jié)果往往不準(zhǔn)確。在有些醫(yī)療和工業(yè)復(fù)雜的環(huán)境中，傳統(tǒng)的溫度計(jì)無法完成測量

2、任務(wù)。而溫度傳感器的出現(xiàn)，對溫度的測量帶來了一定的便利性和可操作性。溫度傳感器是檢測溫度的器件，被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，其種類多，發(fā)展快。溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻以及鉑電阻等，利用其產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢或電阻隨溫度變化的特性來測量物體的溫度，被廣泛用于家用電器、汽車、船舶、控制設(shè)備、工業(yè)測量、通信設(shè)備等另外，還有一些新開發(fā)研制的傳感器，例如，有利用半導(dǎo)體PN結(jié)電流/電壓特性隨溫度變化的半導(dǎo)體集成傳感器；有利用光纖傳播特性隨溫度變化或半導(dǎo)體透光隨溫度變化的光纖傳感器；有利用彈性表面波及振子的振蕩頻率隨溫度變化的傳感器；有利用核四重

3、共振的振蕩頻率隨溫度變化的NQR傳感器；有利用在居里溫度附近磁性急劇變化的磁性溫度傳感器以及利用液晶或涂料顏色隨溫度變化的傳感器等。非接觸方式是通過檢測光傳感器中紅外線來測量物體的溫度，有利用半導(dǎo)體吸收光而使電子遷移的量子型與吸收光而引起溫度變化的熱型傳感器非接觸傳感器廣泛用于接觸溫度傳感器、輻射溫度計(jì)、報(bào)警裝置、來客告知器、火災(zāi)報(bào)警器、自動(dòng)門、氣體分析儀、分光光度計(jì)、資源探測等。本實(shí)驗(yàn)將通過測量幾種常用的接觸式溫度傳感器的特征物理量隨溫度的變化，來了解這些溫度傳感器的工作原理。目 錄一.各種溫度傳感器的原理1.1鉑電阻 41.2半導(dǎo)體熱敏電阻 4 1.3 PN結(jié) 51.4 D590 5二.各

4、溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)研究 62.1實(shí)驗(yàn)情況介紹 62.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析 62.2.1 鉑電阻隨溫度的變化關(guān)系 62.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻隨溫度變化關(guān)系 72.2.3 PN結(jié)正向電壓隨溫度變化關(guān)系 92.2.4 AD590輸出電流與溫度變化的關(guān)系 10三.結(jié)論 11四.參考文獻(xiàn) 11一.各種溫度傳感器的原理1.1鉑電阻因其測量范圍廣，復(fù)現(xiàn)性好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而在中溫（-200650）范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。1 鉑電阻的非線性特性鉑電阻測溫原理是：鉑電阻的阻值與溫度成一定的函數(shù)關(guān)系。在-2000之間，其阻值與溫度符合下面的函數(shù)關(guān)系： Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3在0650之間，其

5、阻值與溫度符合下面的函數(shù)關(guān)系：Rt=R0(1+At+Bt2)其中Rt和R0分別表示鉑電阻在t和0時(shí)的阻值， A=3.90802×10-3； B=-5.80195×10-7,； C=-4.27350×10-12。由此可見，在0650之間存在非線性項(xiàng)。由可知，該函數(shù)曲線是一條單調(diào)上凸曲線，也即鉑電阻的阻值與溫度之間不是線性關(guān)系，這就要求我們在實(shí)際應(yīng)用鉑電阻時(shí)要考慮到鉑電阻傳感器的線性化校正問題。1.2半導(dǎo)體熱敏電阻熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用

6、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。 熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點(diǎn)。用于測量-200+500范圍內(nèi)的溫度。熱敏電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時(shí)，其電阻也隨著發(fā)生變化的特征來測量溫度的。當(dāng)阻值變化時(shí)，工作儀表便顯示出阻值所對應(yīng)的溫度值。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻非常適用于高精度溫度測量。要確定熱敏電阻周圍的溫度，可由公式：T=1/(A0+A1(lnRT)+A3(lnRT3)確定。其中，T為開氏溫度；RT

7、為熱敏電阻在溫度T時(shí)的阻值；而 A0、A1和A3則是由熱敏電阻生產(chǎn)廠商提供的常數(shù)。1.3 PN結(jié)PN結(jié)溫度傳感器則具有靈敏度高、線性好、熱響應(yīng)快和體積輕巧等特點(diǎn)，尤其是在溫度數(shù)字化、溫度控制以及用微機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)信號處理等方面，乃是其他溫度傳感器所不能相比的，其應(yīng)用勢必日益廣泛。目前結(jié)型溫度傳感器主要以硅為材料，原因是硅材料易于實(shí)現(xiàn)功能化，即將測溫單元和恒流、放大等電路組合成一塊集成電路。其工作溫度一般為-50150，與其它溫度傳感器相比，測溫范圍的局限性較大，如果采用不同材料如銻化銦或砷化鎵PN結(jié)可以展寬低溫區(qū)或高溫區(qū)的測量范圍。八十年代中期我國就研制成功以Sic為材料的PN結(jié)溫度傳感器，其

8、高溫區(qū)可延伸到500，并榮獲國際博覽會(huì)金獎(jiǎng)。二極管的結(jié)溫度特性晶體管二極管的 結(jié)正向壓降與工作溫度基本成線性下降關(guān)系已早為人們所知 ,其正向壓降與工作溫度之間的關(guān)系近似地可用式表示V=V0 - kTqlnB +yln -lnIF式中 :T和VF 分別為工作溫度和該溫度下的二極管正向壓降 ; V0 為材料在外推 0下的禁帶寬度 ;為波爾茲曼常數(shù) :1 380 6 6 2× 10 - 2 3/ ;為電子電荷 :1 6 0 2 1892× 10 - 19 ;為由材料參數(shù)和工藝參數(shù)決定的與溫度無關(guān)的器件常數(shù) ;y為與遷移率有關(guān)的常數(shù) ;IF 為通過二極管的工作電流。1.4 AD59

9、0 AD590溫度傳感器輸出電流特性研究 AD590溫度傳感器是由多個(gè)參數(shù)相同的三極管和電阻組成。當(dāng)器件兩端加有某一定直流工作電壓時(shí)（一般工作電壓在4.5V20.0V范圍內(nèi)）。它的輸出電流I與溫度滿足如下關(guān)系 ： 式中：I為輸出電流，為攝氏溫度，單位。A 為攝氏零度時(shí)的電流值，其值恰好與冰點(diǎn)的熱力學(xué)溫度273K相對應(yīng)。B為斜率，單位-1，即如果該溫度傳感器的溫度升高或降低1，傳感器的輸出電流增加或減少1。 二.各溫度傳感器的實(shí)驗(yàn)研究2.1實(shí)驗(yàn)情況介紹 在實(shí)驗(yàn)前，連好電路圖，在對實(shí)驗(yàn)裝置逐漸加溫，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，將各裝置加熱到120度左右，探究室溫到120度之間其物理特性的變化趨勢。不過實(shí)驗(yàn)

10、中會(huì)有一定的誤差存在，有些是實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備造成的不可避免的。有些則是環(huán)境影響所致。無法避免 。所以在一定的誤差范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是正確的。2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析2.2.1 鉑電阻隨溫度的變化關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表：溫度T（）17.222.227.232.237.242.247.252.257.262.267.2電阻R()107.00 109.20 110.84 112.95 114.79 116.63 118.70 120.62 122.47 0.00 126.53 溫度T（）72.277.282.287.292.297.2102.2107.2112.2117.2電阻R()128.50 130.31

11、132.42 134.23 135.97 138.04 139.84 143.65 145.36 146.48 電阻與溫度的關(guān)系圖：通過處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到，鉑電阻隨溫度變化的線性關(guān)系非常好。其線性關(guān)系滿足： R=0.3824T+100.64所以，只要測得某時(shí)刻鉑電阻的阻值，就對應(yīng)唯一的確定的溫度：T=(R-100.64)/0.3824用鉑電阻支撐的溫度傳感器，實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，電阻與溫度的變換咸行性關(guān)系非常強(qiáng)，測量溫度時(shí)，其測量值也比較準(zhǔn)確。而且他的適用范圍也比較廣。2.2.2 半導(dǎo)體熱敏電阻隨溫度變化關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表：溫度T()2025303540455055606570電阻R()14.8

12、1610.2348.3186.7185.5714.6583.813.1972.6942.191.852溫度T()7580859095100105110115120125電阻R()1.5831.3531.140.9840.8540.7310.6380.5610.4840.4270.377數(shù)據(jù)處理：通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，可以分析出半導(dǎo)體熱敏電阻隨溫度的變化與乘冪回歸的你和形勢最好的，在較低溫度時(shí)，其電阻隨溫度的變化關(guān)系滿足R=9.3365只要在某時(shí)刻測得他的電阻，就可以求得此時(shí)的溫度: T=ln(R/9.3365)/ln(-2.0241)用這種元件制成的溫度計(jì)，測量溫度比較簡便易于操作，而且對復(fù)雜

13、環(huán)境的適應(yīng)性也非常好。偏差是實(shí)驗(yàn)中的誤差引起的不可避免。2.2.3 PN結(jié)正向電壓隨溫度變化關(guān)系原始數(shù)據(jù)記錄表: 溫度T()22.527.532.537.542.547.552.557.562.567.572.5電壓U（V）0.7096 0.7016 0.6928 0.6824 0.6735 0.6642 0.6537 0.6443 0.6352 0.6249 0.6157 溫度T()77.582.587.592.597.5102.5107.5112.5117.5122.5127.5電壓U（V）0.6069 0.5967 0.5881 0.5815 0.5790 0.5764 0.5762 0

14、.5753 0.5718 0.5690 0.5668 原始數(shù)據(jù)曲線圖：在室溫到100攝氏度內(nèi)PN結(jié)正向電壓隨溫度的變化：溫度T()22.527.532.537.542.547.552.557.562.567.572.5電壓U（V）0.7096 0.7016 0.6928 0.6824 0.6735 0.6642 0.6537 0.6443 0.6352 0.6249 0.6157 溫度T()77.582.587.592.5電壓U（V）0.6069 0.5967 0.5881 0.5815 在一定的條件下PN結(jié)正向電壓隨溫度變化關(guān)系圖：對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和分析可以發(fā)現(xiàn)在一定的溫度范圍內(nèi)，PN結(jié)正向

15、電壓隨溫度的變化有非常好的線性關(guān)系。有很好的擬合性。滿足：U=-0.0019T+0.7528(V)所以只要測得PN結(jié)在某時(shí)的電壓，就可以求得此時(shí)所對應(yīng)的溫度T=(U-0.7528)/(-0.0019)利用其制成的溫度傳感器再次線性變化范圍內(nèi)，精度和準(zhǔn)確度都是相當(dāng)高的。2.2.4 AD590輸出電流與溫度變化的關(guān)系原始數(shù)據(jù)記錄表：溫度T()21.526.531.536.541.546.551.556.561.566.571.5電壓U(V)0.2933 0.2981 0.3038 0.3095 0.3144 0.3193 0.3249 0.3298 0.3346 0.3401 0.3450 溫度T

16、()76.581.586.591.596.5101.5106.5111.5116.5121.5電壓U(V)0.3498 0.3552 0.3598 0.3649 0.3704 0.3751 0.3799 0.3852 0.3900 0.3948 正向電流隨文對變化表(串聯(lián)電阻為：1K)溫度T()21.526.531.536.541.546.551.556.561.566.571.5電壓U(V)0.2933 0.2981 0.3038 0.3095 0.3144 0.3193 0.3249 0.3298 0.3346 0.3401 0.3450 溫度T()76.581.586.591.596.5

17、101.5106.5111.5116.5121.5電流（mA）0.3498 0.3552 0.3598 0.3649 0.3704 0.3751 0.3799 0.3852 0.3900 0.3948 AD590正向電流隨溫度變化的關(guān)系：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，AD590溫度傳感器在實(shí)驗(yàn)中的溫度范圍內(nèi)，正向電流隨溫度的變化 呈線性關(guān)系。而且由作圖可以得出，線性曲線與趨勢線擬合性非常高。滿足關(guān)系式 I=0.001T+0.2721只要測得某時(shí)刻的電流，就可以由上式求得此刻的溫度： T=（I-0.0271）/I用這種元件制成的溫度計(jì)，在此溫度變化范圍內(nèi)，測得的溫度比傳統(tǒng)的溫度計(jì)測得的溫度相比，準(zhǔn)確度也相當(dāng)?shù)母摺y量帶來了一定的便利性，易于操作，而且易于測量一些復(fù)雜環(huán)境下的溫度。三結(jié)論在實(shí)驗(yàn)中AD590溫度傳感器、鉑電阻溫度傳感器在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，正向電流及電阻隨溫度變化有很好的線性關(guān)系，而PN