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文檔簡介

1、溫度傳感器論文 徐彬杰(四川大學(xué) 物理學(xué)院 學(xué)號:1142021030)摘要: 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。測溫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的傳感器。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品,尤其是溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域,數(shù)量高居各種傳感器之首。半導(dǎo)體傳感器是利用某些半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性制成的。半導(dǎo)體具有很寬的溫度反應(yīng)特性,各種半導(dǎo)體的溫度反應(yīng)區(qū)段不同。本文主要論述了通過使用DH-SJ5溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置探究幾種不同類型的溫度傳感器的原理和溫度特性。本文主要討論了DH-SJ5通過使用DH

2、-SJ5溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置探索一些不同類型的溫度傳感器原理及溫度特性。關(guān)鍵詞:溫度傳感器,DH-SJ5恒溫裝置,九孔板一、溫度傳感器概述溫度是一個基本的物理量,自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā),應(yīng)用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下,相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。二 、溫度傳感器的類型2.1電阻式傳感器熱電阻式傳感器是利用導(dǎo)電物體的電阻率隨溫度而變化的效應(yīng)制成的傳感器。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高,性能穩(wěn)定。它分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類。金屬熱

3、電阻的電阻值和溫度一般可以用以下的近似關(guān)系式表示,即 Rt=Rt01+ (t-t0) 式中,Rt為溫度t時的阻值;Rt0為溫度t0(通常t0=0)時對應(yīng)電阻值;為溫度系數(shù)。 半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系為 式中Rt為溫度為t時的阻值;A、B取決于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)的常數(shù)。常用的熱電阻有鉑熱電阻、熱敏電阻和銅熱電阻。其中鉑電阻的測量精確度是最高的,它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫,而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。     金屬鉑具有電阻溫度系數(shù)大,感應(yīng)靈敏;電阻率高,元件尺寸?。浑娮柚惦S溫度變化而變化基本呈線性關(guān)系;在測溫范圍內(nèi),物理、化學(xué)性能穩(wěn)定,長期復(fù)現(xiàn)性好,測量精度

4、高,是目前公認(rèn)制造熱電阻的最好材料。但鉑在高溫下,易受還原性介質(zhì)的污染,使鉑絲變脆并改變電阻與溫度之間的線性關(guān)系,因此使用時應(yīng)裝在保護(hù)套管中。用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器,利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器,通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100,電阻變化率為0.3851/,TCR=(R100-R0)/(R0×100) ,R0為0的阻值,R100為100的阻值,按IEC751國際標(biāo)準(zhǔn),溫度系數(shù)TCR=0.003851,Pt100(R0=100)、Pt1000(R0=1000)為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型鉑電阻。鉑熱電阻的特點(diǎn)是物理化學(xué)性能穩(wěn)定。尤其是耐氧化

5、能力強(qiáng)、測量精度高、應(yīng)用溫度范圍廣,有很好的重現(xiàn)性,是中低溫區(qū)(-200650)最常用的一種溫度檢測器。      熱敏電阻(Thermally Sensitive Resistor,簡稱為Thermistor),是對溫度敏感的電阻的總稱,是一種電阻元件,即電阻值隨溫度變化的電阻。一般分為兩種基本類型:負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC(Negative Temperature Coefficient)和正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC(Positive Temperature Coefficient)。NTC熱敏電阻表現(xiàn)為隨溫度的上升,其電阻值下降;而PTC熱

6、敏電阻正好相反。NTC熱敏熱電阻大多數(shù)是由Mn(錳)、Ni(鎳)、Co(鈷)、Fe(鐵)、Cu(銅)等金屬的氧化物經(jīng)過燒結(jié)而成的半導(dǎo)體材料制成。因此,不能在太高的溫度場合下使用。不竟然,其使用范圍有的也可以達(dá)到了-200700,但一般的情況下,其通常的使用范圍在-100300。 NTC熱敏熱電阻熱響應(yīng)時間一般跟封裝形式、阻值、材料常數(shù)(熱敏指數(shù))、熱時間常數(shù)有關(guān)。材料常數(shù)(熱敏指數(shù))B值反映了兩個溫度之間的電阻變化,熱敏電阻的特性就是由它的大小決定的,B值(K)被定義為: ;RT1:溫度 T1(K)時的零功率電阻值;RT2 :溫度 T2(K)時的零功率電

7、阻值;T1,T2 :兩個被指定的溫度(K)。 對于常用的 NTC 熱敏電阻,B 值范圍一般在 2000K  6000K 之間。熱時間常數(shù)是指在零功率條件下,當(dāng)溫度突變時,熱敏電阻的溫度變化了始未兩個溫度差的 63.2% 時所需的時間。熱時間常數(shù)與 NTC 熱敏電阻的熱容量成正比,與其耗散系數(shù)成反比。這兩種熱敏電阻均具有特定的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。而銅(Cu50)熱電阻測溫范圍小,在-50150范圍內(nèi),穩(wěn)定性好,便宜;但體積大,機(jī)械強(qiáng)度較低。銅電阻在測溫范圍

8、內(nèi)電阻值和溫度呈線性關(guān)系,溫度線數(shù)大,適用于無腐蝕介質(zhì),超過150易被氧化。通常用于測量精度不高的場合。銅電阻有R0=50和R0=100兩種,它們的分度號為Cu50和Cu100。其中Cu50的應(yīng)用最為廣泛。2.2半導(dǎo)體溫度傳感器PN結(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度特性制成的。 其工作原理是PN結(jié)兩端的電壓隨著溫度的升高而減少。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),尤其是溫度數(shù)字化、溫度控制以及用微機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時訊號處理等方面,乃是其它溫度傳感器所不能比擬的。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

9、塊集成電路。美國Motorola公司在1979年就開始生產(chǎn)測溫晶體管及其組件,如今靈敏度高達(dá)100mV、分辨率不低于0.1的硅集成電路溫度傳感器。但是以硅為材料的這類溫度傳感器也不是盡善盡美的,在非線性不超過標(biāo)準(zhǔn)值0.5的條件下,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的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SiC為材料的PN結(jié)溫度傳感器,其高溫區(qū)可延伸到500,并榮獲國際博覽會金獎。 2.3晶體溫度傳感器 晶體溫度傳感器是利用晶體的各向異性,并通過選擇適當(dāng)?shù)那懈罱嵌惹懈疃?,這是一種可將溫度轉(zhuǎn)換成頻

10、率的傳感器,這種傳感器用于計(jì)算機(jī)測量時可省去模數(shù)轉(zhuǎn)換。因此,適合于計(jì)算機(jī)測溫的應(yīng)用。 2.4非接觸型溫度傳感器 非接觸型溫度傳感器是利用物體表面散發(fā)出來的光或熱來進(jìn)行測量的。常用的非接觸型傳感器多數(shù)是紅外傳感器,適合于高速運(yùn)行物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量。 這種紅外測溫傳感器具有反應(yīng)速度快、靈敏度高、測量準(zhǔn)確、測溫范圍廣泛等特點(diǎn)。2.5熱電式傳感器1、熱電偶測溫基本原理 將兩種不同的金屬絲一端熔合起來,如果給它們的連結(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間提供不同的溫度,就會產(chǎn)生電壓,即熱電勢。這種現(xiàn)象叫做塞貝克效應(yīng)。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)成一個閉合回路,如圖2-1所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B

11、的兩個執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時,兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的,屬有源傳感器。它能將溫度直接轉(zhuǎn)換成熱電勢。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是:(1)測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。 (2)測量范圍廣。測溫范圍極寬、從-270的極低溫度到 2600的超高溫度都可以測量,而且在6002000的溫 圖2-1度范圍內(nèi)可以進(jìn)行精確的測量(600以下時,鉑電阻的測量精度更高)。某些特殊熱電偶最低可測到-269(如金鐵鎳鉻),最高可達(dá)+2800(如鎢-錸)。(3)構(gòu)造簡單,使用方便。熱電偶

12、通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開頭的限制,外有保護(hù)套管,用起來非常方便。(4)測溫精度高、準(zhǔn)確、可靠、性能穩(wěn)定、熱慣性小。通常用于高溫爐的測量和快速測量方面。 2、熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成(1)熱電偶的種類常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶,它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,一般也沒有統(tǒng)一的分度表,主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 我國從1988年1月1日起,熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),并指定S、B、E、

13、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。(2)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作,對它的結(jié)構(gòu)要求如下: 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固。 兩個熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣,以防短路。 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠。 保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。3、熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特別是采用貴金屬時),而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn),為了節(jié)省熱 電偶材料,降低成本,通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷 端(自由端)延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi),連接到 儀表端子上。必須指出,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極,使熱電偶的冷端移動到控制

14、室的儀表端子上,它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響,不起補(bǔ)償作用。因此,還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度t00時對測溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時必須注意型號相配,極性不能接錯,補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100。 2.6光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器分為相位調(diào)制型光纖溫度傳感器(靈敏度高)、熱輻射光纖溫度傳感器(可監(jiān)視一些大型電氣設(shè)備,如電機(jī)、變壓器等內(nèi)部熱點(diǎn)的變化情況)和傳光型光纖溫度傳感器(體積小、靈敏度高、工作可靠、易制作)。 2.7液壓溫度傳感器 這種傳感器流體受熱會產(chǎn)生膨脹,膨脹程度與所加的熱量成正比。在根據(jù)液壓原理制成的溫度傳感器中,最普通的就是大家熟悉的水銀溫

15、度計(jì)。 2.8智能溫度傳感器 智能溫度傳感器由于在一個芯片上集成有溫度傳感器、處理器、存儲器、A/D轉(zhuǎn)換器等部件。 因此,這類傳感器具有判斷和信息處理能力,并可對測量值進(jìn)行各種修正和誤差補(bǔ)償,同時還帶有自診斷、自校準(zhǔn)功能,可大大提高系統(tǒng)的可靠性,并能和計(jì)算機(jī)直接聯(lián)機(jī)。三、DH-SJ5溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置概述 DH-SJ5型溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置是以分離的溫度傳感器探頭元器件,單個電子元件,以九孔板為實(shí)驗(yàn)平臺來測量溫度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置提供了多種測溫方法,自行設(shè)計(jì)測溫電路來測量溫度傳感器的溫度特性。實(shí)驗(yàn)配有鉑電阻Pt100、熱敏電阻(NTC和PTC)、銅電阻Cu50、銅-康銅熱電偶、PN結(jié)、

16、AD590和LM35等溫度傳感器。本實(shí)驗(yàn)裝置采用智能溫度控制器控溫。具有以下的特點(diǎn):1、控溫精度高、范圍廣、加熱所需的溫度可自由設(shè)定,采用數(shù)字顯示。2、使用低電壓恒流加熱、安全可靠、無污染。加熱電流連續(xù)可調(diào)。3、本儀器提供的是單個分離的溫度傳感器,形象直觀,給實(shí)驗(yàn)帶來了很大的方便,可對不同傳感器的溫度特性進(jìn)行比較,更易于掌握它們的溫度特性。4、采用九孔板作為實(shí)驗(yàn)平臺,提供設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。5、加熱爐配有風(fēng)扇,在做降溫實(shí)驗(yàn)過程中可采用風(fēng)扇快速降溫。6、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎,緊湊合理,外型美觀大方。主要技術(shù)指標(biāo)1、 電源電壓:AC220V±10%(50/60HZ)2、 工作環(huán)境:溫度040,相對濕

17、度80%的無腐蝕性場合3、 控溫范圍:室溫1204、 溫度控制精度:±0.25、 分辯率: 0.16、 控制方式:先進(jìn)的PID控制溫控儀與恒溫爐的連線 圖3-1Pt100的插頭與溫控儀上的插座顏色對應(yīng)得相連接。紅紅;黃黃;藍(lán)藍(lán)。四、課題研究4.1本課題將進(jìn)行四個實(shí)驗(yàn),分別研究了熱電阻溫度傳感器(Pt100鉑電阻、Cu50銅電阻和熱敏電阻(NTC和PTC)的溫度特性及其測溫原理;研究熱電偶的溫差電動勢;PN結(jié)正向壓降與溫度關(guān)系的研究和應(yīng)用;集成溫度傳感器(AD590和LM35)的測溫原理,及其溫度特性。其中本論文著重介紹電阻溫度傳感器的溫度特性。五、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探究.pt100鉑電阻的測

18、溫原理金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化,并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性,利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器,通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100,電阻變化率為0.3851/。鉑電阻溫度傳感器精度高,穩(wěn)定性好,應(yīng)用溫度范圍廣,是中低溫區(qū)(-200650)最常用的一種溫度檢測器,不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫,而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)(涵蓋國家和世界基準(zhǔn)溫度)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。按IEC751國際標(biāo)準(zhǔn), 溫度系數(shù)TCR=0.003851,Pt100(R0=100)、Pt1000(R0=1000)為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型鉑電阻。 TCR=(R100-R0)/(R0×100) (1)1

19、00時標(biāo)準(zhǔn)電阻值R100=138.51。100時標(biāo)準(zhǔn)電阻值R1000=1385.1。Pt100鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化計(jì)算公式:-200<t<0 Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 (2)0<t<850 Rt=R0(1+At+B) (3)Rt在t時的電阻值;R0時的電阻值 。式中A、B、C的系數(shù)各為: A=3.90802×10-3C-1 ;B=-5.802×10-7C-2 ;C=-4.27350×10-12C-4 。由(3)式可知,在0100時,pt100的電阻Rt大小與溫度t是成二次函數(shù)關(guān)系的,二次項(xiàng)系數(shù)為R0

20、 ,一次項(xiàng)系數(shù)為A R02、熱敏電阻溫度特性原理(NTC型)熱敏電阻是阻值對溫度變化非常敏感的一種半導(dǎo)體電阻,它有負(fù)溫度系數(shù)和正溫度系數(shù)兩種。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)的電阻率隨著溫度的升高而下降(一般是按指數(shù)規(guī)律);而正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)的電阻率隨著溫度的升高而升高;金屬的電阻率則是隨溫度的升高而緩慢地上升。熱敏電阻對于溫度的反應(yīng)要比金屬電阻靈敏得多,熱敏電阻的體積也可以做得很小,用它來制成的半導(dǎo)體溫度計(jì),已廣泛地使用在自動控制和科學(xué)儀器中,并在物理、化學(xué)和生物學(xué)研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。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: (5)式中A1和B是與材料物

21、理性質(zhì)有關(guān)的常數(shù),T為絕對溫度。對于截面均勻的熱敏電阻,其阻值RT可用下式表示: (6) 式中RT的單位為,r的單位為cm ,為兩電極間的距離,單位為cm,S為電阻的橫截面積,單位為cm2。將(5)式代入(6)式,令,于是可得: (7)對一定的電阻而言,A和B均為常數(shù)。對(7)式兩邊取對數(shù),則有 (8)與成線性關(guān)系,在實(shí)驗(yàn)中測得各個溫度T的RT值后,即可通過作圖求出B和A值,代入(7)式,即可得到RT的表達(dá)式。式中RT為在溫度T(K)時的電阻值(),A為在某溫度時的電阻值(),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)。圖5-1表示了熱敏電阻(NTC)與普通電阻的不同溫度特性。 3、

22、Cu50銅電阻溫度特性原理 銅電阻是利用物質(zhì)在溫度變化時本身電阻圖5 生變化的特性來測量溫度的。銅電阻的受熱部分(感溫元件)是用細(xì)金屬絲均勻地雙繞在絕緣材料制成的骨架上,當(dāng)被測介質(zhì)中有溫度梯度存在時,所測得的溫度是感溫元件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中的平均溫度。.實(shí)驗(yàn)過程1.方法:我們采用了用萬用表直接測量法,改變溫度,用萬用表測出溫度傳感器電阻,并記錄下來。實(shí)驗(yàn)的電路圖:2.操作:將溫度傳感器直接插在溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置的恒溫爐中。在傳感器的輸出端用數(shù)字萬用表直接測量其電阻值。本實(shí)驗(yàn)的熱敏電阻NTC溫度傳感器25的阻值5K;PTC溫度傳感器25的阻值350。在不同的溫度下,觀察Pt100鉑電阻、熱敏電阻

23、(NTC和PTC)和Cu50銅電阻的阻值的變化,從室溫到120(注:PTC溫度實(shí)驗(yàn)從室溫到100。),每隔5(或自定度數(shù))測一個數(shù)據(jù),將測量數(shù)據(jù)逐一記錄在表格內(nèi)。3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)記錄1Pt100鉑電阻數(shù)據(jù)記錄 室溫 25 序 號12345678910溫度()25303540455055606570R/ 109.90111.80113.64115.58117.42119.33121.22123.13124.50125.87序 號11121314151617181920溫度()7580859095100105110115120R/127.66129.80131.98133.84135.75137.

24、50139.33141.24143.08144.97數(shù)據(jù)記錄2NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻數(shù)據(jù)記錄 室溫 25 序 號12345678910溫度()25303540455055606570R/4.9424.0763.4582.8552.4042.0091.7021.4401.2381.033序 號11121314151617181920溫度()7580859095100105110115120R/0.8870.7640.6550.5610.4870.4230.3710.3230.2850.255數(shù)據(jù)記錄3PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻數(shù)據(jù)記錄 室溫 25 序 號12345678910溫度()25 30

25、3540455055606570R/0.34310.34440.34880.35700.37020.38940.41690.45670.48780.5865序 號11121314151617181920溫度()7580859095100105110115120R/0.70260.88421.17881.80843.00407.847018.435數(shù)據(jù)記錄4Cu50銅電阻數(shù)據(jù)記錄 室溫 25 序 號12345678910溫度()25303540455055606570R/55.7556.7357.6358.6559.6060.6061.5762.5763.5664.63序 號1112131415

26、1617181920溫度()7580859095100105110115120R/65.6266.7667.7368.7269.7870.6771.7772.7773.8074.874.結(jié)論P(yáng)t100的Rt- T圖分析:橫軸為溫度,縱軸為電阻值。當(dāng)溫度T=100時,Rt 的理論值為138.51,而從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格中我們可以看到,Rt 的實(shí)際值為137.50,可見直接用萬用表直測存在一定誤差。但并不影響總體上的規(guī)律。由(3)式0<t<850 Rt=R0(1+At+B)可知,電阻Rt 是與溫度T存在二次關(guān)系的,但同時注意到,式中二次項(xiàng)和一次項(xiàng)系數(shù)A和B,A=3.90802×

27、10-3C-1 ;B=-5.802×10-7C-2, 可見A比B大四個數(shù)量級,所以一次項(xiàng)系數(shù)起注意影響,二次項(xiàng)系數(shù)就可以忽略。這就是為什么得出的Rt- T圖像似乎是直線。從圖中我們得出大致斜率K=0.3652,與理論的電阻變化率0.3851/大致保持一致。此實(shí)驗(yàn)說明pt100鉑電阻溫度傳感器在0<t<120 這個溫度區(qū)間是與溫度成線性關(guān)系的。鉑電阻溫度傳感器精度高,穩(wěn)定性好。誤差分析:如上所述,在T=100時,Rt 的理論值為138.51,Rt 的實(shí)際值為137.50;大致斜率K=0.3652,理論的電阻變化率0.3851/。這兩個誤差是在試驗(yàn)中溫度未必達(dá)到恒溫,DH-S

28、J5恒溫爐裝置在到達(dá)設(shè)定溫度前加熱電流變小或者為0,但并不代表溫度沒有微小的變化,而要想溫度一直恒定在某個值,則需要很長時間和減少外界溫度影響。加之?dāng)?shù)字萬用表又是很精密的儀器,在微小的電阻變動都能察覺,所以造成誤差。分析:由(8)式可知,與成線性關(guān)系,在實(shí)驗(yàn)中測得各個溫度T的RT值后,即可通過作圖求出B和A值,代入(7)式,即可得到RT的表達(dá)式。式中RT為在溫度T(K)時的電阻值(),A為在某溫度時的電阻值(),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)。帶如兩組數(shù)據(jù)可以算出B=-128.91,A=0.1525。所以熱敏電阻(NTC)的Rt-T圖不成線性關(guān)系,且可以得知NTC為負(fù)溫度

29、系數(shù)熱敏電阻?,F(xiàn)在來討論另一正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC的溫度特性。分析:可見在80以前RT 和T是呈線性變化的,且電阻變化很小,但一旦超過80,Rt 就隨T的增大而劇增??梢缘贸鼋Y(jié)論,正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC傳感器溫度范圍小,有一定局限性。討論了兩種熱敏電阻,下面看看普通金屬電阻的問的特性。分析:這是Cu50的Rt T圖??梢郧宄目吹?,圖線是一條直線,所以Rt 和T是是呈線性關(guān)系的。這圖對比熱敏電阻的Rt -T圖,可得到圖5-3的圖線,也可以了解兩種電阻的溫度特性的區(qū)別。 5.3熱電偶溫差電動勢測量與研究 1、熱電偶測溫原理 熱電偶亦稱溫差電偶,是由A、B兩種不同材料的金屬絲的端點(diǎn)彼此緊密接觸

30、而組成的。當(dāng)兩個接點(diǎn)處于不同溫度時(如圖3-6),在回路中就有直流電動勢產(chǎn)生,該電動勢稱溫差電動勢或熱電動勢。當(dāng)組成熱電偶的材料一定時,溫差電動勢Ex僅與兩接點(diǎn)處的溫度有關(guān),并且兩接點(diǎn)的溫差在一定的溫度范圍內(nèi)有如下近似關(guān)系式: EX( t-t0 ) (1)式中稱為溫差電系數(shù),對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時所產(chǎn)生的電動勢。t為工作端 的溫度,t0為冷端的溫度。 圖3-6 為了測量溫差電動勢,就需要在圖3-6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-t0下應(yīng)有的電動勢EX值。要做到這一點(diǎn),實(shí)驗(yàn)時應(yīng)保證一定的條件。

31、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,若它與A、B的兩連接點(diǎn)處于同一溫度t0(圖3-6),則該閉合回路的溫差電動勢與上述只有A、B兩種金屬組成回路 時的數(shù)值完全相同。 所以,我們把A、B兩根不同化學(xué)成份的金屬絲的一圖3-7 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)成兩個同溫度(t0)的冷端(自由端)。銅引線與電位差計(jì)相連,這樣就組成一個熱電偶溫度計(jì)。如圖3-7所示。通常將冷端置于冰水混合物中,保持t0 = 0,將熱端置于待測溫度處,即可測得相應(yīng)的溫差電動勢,再根據(jù)事先校正好的曲線或數(shù)據(jù)來求出溫度t。熱電偶溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是熱容量小,靈敏

32、度高,反應(yīng)迅速,測溫范圍廣,還能直接把非電學(xué)量溫度轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。因此,在自動測溫、自動控溫等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在本實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)偶為銅-康銅熱點(diǎn)偶,屬于T型熱點(diǎn)偶。其測溫范圍270400;優(yōu)點(diǎn)有:熱電動勢的直線性好;低溫特性良好;再現(xiàn)性好,精度高;但是(+)端的銅易氧化。2.實(shí)驗(yàn)過程按圖3-7所示原理連接線路,將熱電偶的冷端置于冰水混合物中之中,確保t0 =0。測溫端直接插在恒溫爐內(nèi)。此過程是為了求出0 。然后開啟溫控儀電源,給熱端加溫。每隔10左右測一組(t,Ex),直至100為止。再做一次降溫測量,即先升溫至100,然后每降低10測一組(t,Ex),再取升溫降溫測量數(shù)據(jù)的平均值作為最后測量值

33、。1熱電偶定標(biāo)數(shù)據(jù)記錄 室溫t_18.3_ ENt=_0.07m_V t0 = 0 序 號12345678910溫度t()30405060708090100電動勢(mV)1.281.682.072.502.953.373.824.24序 號11121314151617181920溫度t()10090807060504030電動勢(mV)4.163.733.302.872.452.011.581.162作出熱電偶定標(biāo)Ext曲線分析:電動勢隨著溫度的升高而增大,并且與溫度呈線性關(guān)系。這樣做出了定標(biāo)曲線,熱電偶便可以作為溫度計(jì)使用了。5.3集成溫度傳感器1.實(shí)驗(yàn)原理 集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體

34、集成電路,它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測:式中,K波爾茲常數(shù);q電子電荷絕對值。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般10mV/K,溫度0時輸出為0,溫度25時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1uA/K。 基本應(yīng)用電路圖5-11是AD590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比,當(dāng)電阻R為1k時,輸出電壓V0隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有

35、偏差,電阻也有誤差,因此應(yīng)對電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為:把AD590放于冰水混合物中,調(diào)整電位器R2,使V0=273.2mV?;蛟谑覝叵?25)條件下調(diào)整電位器,使V0=273.2+25=298.2(mV)。但這樣調(diào)整只可保證在0或25附近有較高精度。 圖5-11數(shù)據(jù)記錄1AD590數(shù)據(jù)記錄 室溫 25 序 號12345678910溫度()25303040455055606570V0.30110.30620.31150.31260.32120.32660.33180.33520.34200.3472序 號11121314151617181920溫度()7580859095100105110115120V0.35240.35720.36240.36850.37350.37910.38420.38910.39450.3990分析:電壓隨著溫度的升高而增大,并且電壓與溫度成線性關(guān)系。六、結(jié)語 通過溫度傳感器的四個小實(shí)驗(yàn),繪制出了各種溫度傳感器的溫度特性。同時與實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行對照,了解到各種溫度傳感器工作原理和與理論值得差距,進(jìn)而分析了誤差的來源。同時,還學(xué)會了更好的應(yīng)用萬用表

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