4溫度傳感器的溫度特性測(cè)量及應(yīng)用

會(huì)計(jì)學(xué)14溫度傳感器的溫度特性測(cè)量及應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用三非線性元件伏安特性測(cè)量及發(fā)光二極管應(yīng)用四溫度傳感器的溫度特性測(cè)量及應(yīng)用五光敏傳感器的光電特性測(cè)量及應(yīng)用

第1頁(yè)/共47頁(yè)溫度傳感器的溫度特性測(cè)量及應(yīng)用

目的要求實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容思考題附錄第2頁(yè)/共47頁(yè)1.學(xué)習(xí)用恒電流法測(cè)量熱電阻

2.學(xué)習(xí)用直流電橋法測(cè)量熱電阻

3.測(cè)量鉑電阻溫度傳感器

(Pt100)的溫度特性

4.測(cè)量熱敏電阻（負(fù)溫度系數(shù)）溫度傳感器

NTC1K的溫度特性

5.測(cè)量PN結(jié)溫度傳感器的溫度特性

6.測(cè)量電流型集成溫度傳感器（AD590）的溫度特性

7.測(cè)量電壓型集成溫度傳感器（LM35）的溫度特性目的要求第3頁(yè)/共47頁(yè)FD-TTT-A溫度傳感器溫度特性實(shí)驗(yàn)儀的組成：高準(zhǔn)確度控溫恒溫加熱系統(tǒng)恒流源

直流電橋

Pt100鉑電阻溫度傳感器

NTC1K熱敏電阻溫度傳感器

PN結(jié)溫度傳感器電流型集成溫度傳感器AD590

電壓型集成溫度傳感器LM35

數(shù)字電壓表實(shí)驗(yàn)插接線等實(shí)驗(yàn)儀器第4頁(yè)/共47頁(yè)“溫度”是一個(gè)重要的熱學(xué)物理量和我們的生活環(huán)境密切相關(guān)對(duì)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)的結(jié)果至關(guān)重要溫度傳感器應(yīng)用廣泛

溫度傳感器是利用一些金屬、半導(dǎo)體等材料與溫度相關(guān)的特性制成的常用的溫度傳感器的類型、測(cè)溫范圍和特點(diǎn)見表1實(shí)驗(yàn)原理第5頁(yè)/共47頁(yè)第6頁(yè)/共47頁(yè)實(shí)驗(yàn)原理1.

恒電流法測(cè)量熱電阻2.

直流電橋法測(cè)量熱電阻3.Pt100鉑電阻溫度傳感器4.熱敏電阻(NTC1K)溫度傳感器5.PN結(jié)溫度傳感器6.電流型集成溫度傳感器（AD590）7.電壓型集成溫度傳感器（LM35）第7頁(yè)/共47頁(yè)1.

恒電流法測(cè)量熱電阻

電路如圖1所示電源采用恒流源

R1為已知數(shù)值的固定電阻

Rt為熱電阻

UR1為R1上的電壓用于監(jiān)測(cè)電路的電流

Urt為Rt上的電壓當(dāng)電路電流為I0,溫度為

t時(shí)，熱電阻Rt

為R1RtUR1URtI0第8頁(yè)/共47頁(yè)2.直流電橋法測(cè)量熱電阻直流平衡電橋（惠斯通電橋）的電路如圖2所示....mVRtIDCRIBIgRIIAR313221Rt第9頁(yè)/共47頁(yè)直流平衡電橋

把四個(gè)電阻R1,R2,R3,Rt連成一個(gè)四邊形回路

ABCD

每條邊稱作電橋的一個(gè)“橋臂”在對(duì)角接點(diǎn)A、C之間連入直流電源E

在對(duì)角接點(diǎn)B、D之間連入平衡指示儀表

B、D兩點(diǎn)的對(duì)角線形成一條“橋路”第10頁(yè)/共47頁(yè)當(dāng)B、D兩點(diǎn)電位相等時(shí)，橋路中無(wú)電流通過(guò)，指示器示值為零，電橋達(dá)到平衡

UAB=UAD,UBC=UDC

電流Ig=0,流過(guò)電阻R1、R3的電流相等，I1=I3

同理I2=IRt又 ∵I1R1=I2R2

IRtRt=I3R3

因此

直流平衡電橋第11頁(yè)/共47頁(yè)

Pt100鉑電阻是一種利用鉑金屬導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特性制成的溫度傳感器鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，抗氧化能力強(qiáng)復(fù)制性好，易工業(yè)化生產(chǎn)電阻率較高可用于工業(yè)檢測(cè)中的精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，溫度系數(shù)偏小，受磁場(chǎng)影響較大

按IEC標(biāo)準(zhǔn)，鉑電阻的測(cè)溫范圍為-200——650℃3.Pt100鉑電阻溫度傳感器第12頁(yè)/共47頁(yè)百度電阻比W（100）=1.3850時(shí)，Ro為100Ω或10Ω，稱為Pt100鉑電阻或Pt10鉑電阻鉑電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系：當(dāng)溫度

t在-200～0℃之間時(shí)

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100C)t3]

當(dāng)溫度在0～650℃之間時(shí)

Rt=R0(1+At+Bt2)

Rt、R0分別為鉑電阻在溫度t、0℃時(shí)的電阻值

A~10-3,B~10-7,C~10-12

為溫度系數(shù)3.Pt100鉑電阻溫度傳感器第13頁(yè)/共47頁(yè)

對(duì)于常用的工業(yè)鉑電阻

在0～100℃范圍內(nèi)

Rt的表達(dá)式可近似線性為

Rt=R0(1+A1t)A1溫度系數(shù)，近似為3.85×10-3/℃Pt100鉑電阻的阻值

0℃時(shí)Rt

=100Ω100℃時(shí)Rt

=138.5Ω3.Pt100鉑電阻溫度傳感器第14頁(yè)/共47頁(yè)4.熱敏電阻(NTC1K)溫度傳感器

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體電阻阻值隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的電阻阻值隨溫度升高而減小，NTC型(負(fù)溫度系數(shù))

電阻阻值隨溫度升高而增大，PTC型(正溫度系數(shù))

CTC型(臨界溫度)

以上三種熱敏電阻特性曲線見圖3

第15頁(yè)/共47頁(yè)圖30PTCCTCNTC4080120160200第16頁(yè)/共47頁(yè)

熱敏電阻電阻率大，溫度系數(shù)大但其非線性大，置換性差，穩(wěn)定性差通常只適用于一般要求不高的溫度測(cè)量在一定的溫度范圍內(nèi)（小于450℃）熱敏電阻的電阻Rt與溫度T之間有如下關(guān)系

Rt、R0是溫度為T(K),T0

(K)時(shí)的電阻值

B是熱敏電阻材料常數(shù)，一般情況下

B為2000～6000K4.熱敏電阻(NTC1K)溫度傳感器第17頁(yè)/共47頁(yè)對(duì)一定的熱敏電阻而言，B為常數(shù)，對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，則有可見，lnRT與1/T成線性關(guān)系作lnRT—(1/T)曲線，用直線擬合，由斜率可求出常數(shù)B

4.熱敏電阻(NTC1K)溫度傳感器第18頁(yè)/共47頁(yè)

PN

結(jié)溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電壓對(duì)溫度依賴性，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度檢測(cè)電流通過(guò)時(shí)，PN結(jié)的正向電壓與溫度之間有良好的線性關(guān)系通常將硅三極管b、c極短路，用b、e極之間的PN結(jié)作為溫度傳感器測(cè)量溫度硅三極管基極和發(fā)射極間正向?qū)妷篤be一般約為600mV（25℃），與溫度成反比線性良好，溫度系數(shù)約為-2.3mV/℃5.PN結(jié)溫度傳感器第19頁(yè)/共47頁(yè)

測(cè)溫精度較高測(cè)溫范圍可達(dá)-50——150℃

缺點(diǎn)：一致性差，互換性差5.PN結(jié)溫度傳感器第20頁(yè)/共47頁(yè)通常PN結(jié)組成二極管的電流I和電壓U滿足

在常溫條件下，且時(shí)，可近似為

q=1.60210–19C為電子電量

k=1.38110–23J/K為波爾茲曼常數(shù)

T為熱力學(xué)溫度

IS

為反向飽和電流5.PN結(jié)溫度傳感器第21頁(yè)/共47頁(yè)5.PN結(jié)溫度傳感器正向電流保持恒定條件下，PN結(jié)的正向電壓U和溫度t近似滿足下列線性關(guān)系

U=Kt+Ugo

式中Ugo為半導(dǎo)體材料參數(shù)，K為PN結(jié)的結(jié)電壓溫度系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量如圖4

+5V5.1K(Vbe)..9013.U第22頁(yè)/共47頁(yè)6.電流型集成溫度傳感器（AD590）輸出電流大小與溫度成正比，它的線性度極好

溫度適用范圍：-55——150℃

靈敏度：1μA/K

它具有高準(zhǔn)確度、動(dòng)態(tài)電阻大、響應(yīng)速度快、線性好、使用方便等特點(diǎn)

AD590是一個(gè)二端器件電路符號(hào)如圖5所示

第23頁(yè)/共47頁(yè)6.電流型集成溫度傳感器（AD590）AD590等效于一個(gè)高阻抗的恒流源，其輸出阻抗>10MΩ，能大大減小因電源電壓變動(dòng)而產(chǎn)生的測(cè)溫誤差

工作電壓：+4——+30V

測(cè)溫范圍：-55——150℃

熱力學(xué)溫度T每變化1K，輸出電流變化1μA

輸出電流I0(μA)與熱力學(xué)溫度T（K）嚴(yán)格成正比

其電流靈敏度表達(dá)式為

第24頁(yè)/共47頁(yè)6.電流型集成溫度傳感器（AD590）k波爾茲曼常數(shù)e電子電量R內(nèi)部集成化電阻

將k/e=0.0862mV/K，R=538Ω代入得：

I/T=1.000μA/K

T=0（K）時(shí),輸出為273.15μA第25頁(yè)/共47頁(yè)AD590的輸出電流

I0

的微安數(shù)就代表著被測(cè)溫度的熱力學(xué)溫度值（K）

AD590的電流-溫度（I-T）特性曲線如圖6所示

6.電流型集成溫度傳感器（AD590）第26頁(yè)/共47頁(yè)其輸出電流表達(dá)式為

I=At+B

A為靈敏度

B

為0℃時(shí)輸出電流

如需顯示攝氏溫標(biāo)（℃）則要加溫標(biāo)轉(zhuǎn)換電路，其關(guān)系式為：

t=T

-273.15

在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi),準(zhǔn)確度≤±0.5℃線性極好6.電流型集成溫度傳感器（AD590）第27頁(yè)/共47頁(yè)6.電流型集成溫度傳感器（AD590）利用AD590的上述特性，在最簡(jiǎn)單的應(yīng)用中，用一個(gè)電源，一個(gè)電阻，一個(gè)數(shù)字式電壓表即可用于溫度的測(cè)量

由于AD590以熱力學(xué)溫度K定標(biāo)，在攝氏溫標(biāo)應(yīng)用中，應(yīng)該進(jìn)行℃的轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路如圖7所示

5V.AD590+1.00KI=U/1.00K.U第28頁(yè)/共47頁(yè)

輸出為電壓，且線性極好

只要配上電壓源，數(shù)字式電壓表就可以構(gòu)成一個(gè)精密數(shù)字測(cè)溫系統(tǒng)利用下式可計(jì)算出被測(cè)溫度t（℃）:

UO=KV*t=(10mV/℃)*t

輸出電壓的溫度系數(shù)KV=10.0mV/℃即t(℃)=UO/10mV

電路符號(hào)見圖8，Vo為輸出端7.電壓型集成溫度傳感器（LM35）LM35+-V0第29頁(yè)/共47頁(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)1Pt100鉑電阻溫度特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)2NTC熱敏電阻溫度特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)3PN結(jié)溫度傳感器溫度特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)4電流型集成溫度傳感器（AD590）實(shí)驗(yàn)5電壓型集成溫度傳感器（LM35）第30頁(yè)/共47頁(yè)1.Pt100鉑電阻溫度特性的測(cè)量(1)恒電流法

(2)直流電橋法第31頁(yè)/共47頁(yè)(1)恒電流法

插上恒流源，監(jiān)測(cè)R1上電流是否為1mA(即U1=1V，R1=1.00K)

將控溫傳感器Pt100鉑電阻插入干井爐中心井另一只待測(cè)試的Pt100鉑電阻插入另一井從室溫起開始測(cè)量，然后開啟加熱器每隔10℃控溫系統(tǒng)設(shè)置一次，控溫穩(wěn)定2min

用式（0）測(cè)量、計(jì)算Pt100鉑電阻的阻值到100℃止用最小二乘法直線擬合，求出結(jié)果第32頁(yè)/共47頁(yè)

(1)恒電流法溫度系數(shù)A=相關(guān)系數(shù)r=

第33頁(yè)/共47頁(yè)(1)恒電流法*一般冬季可從20～80℃，夏季可從40～100℃，0℃可用冰點(diǎn)來(lái)測(cè)量

*如需節(jié)省時(shí)間，可每隔5℃控溫系統(tǒng)設(shè)置一次第34頁(yè)/共47頁(yè)(2)直流電橋法

插上橋路電源（+2V）將控溫傳感器Pt100鉑電阻插入干井爐中心井另一只待測(cè)試的Pt100鉑電阻插入另一井從室溫起開始測(cè)試，然后開啟加熱器每隔10℃控溫系統(tǒng)設(shè)置一次，控溫穩(wěn)定2min

調(diào)整電阻箱R3使輸出電壓為零，電橋平衡

按式（1）測(cè)量、計(jì)算待測(cè)Pt100鉑電阻的阻值用最小二乘法直線擬合，求出結(jié)果第35頁(yè)/共47頁(yè)2.NTC熱敏電阻溫度特性的測(cè)試(1)恒電流法(2)直流電橋法第36頁(yè)/共47頁(yè)(1)恒電流法與Pt100鉑電阻的測(cè)試相同插上恒流源，監(jiān)測(cè)R1上電流是否為1mA(即U1=1.00V,R1=1.00K)

控溫傳感器Pt100鉑電阻插入干井爐的中心井另一待測(cè)試的NTC1K熱敏電阻溫度傳感器插入另一井從室溫起開始測(cè)試，然后開啟加熱器每隔10℃控溫系統(tǒng)設(shè)置一次，控溫穩(wěn)定2min第37頁(yè)/共47頁(yè)(1)恒電流法

按式（0）測(cè)試、計(jì)算NTC1K熱敏電阻的阻值到100℃止將測(cè)量數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行曲線指數(shù)回歸擬合，求出結(jié)果

第38頁(yè)/共47頁(yè)(2)直流電橋法與Pt100鉑電阻的測(cè)量相同插上橋路電源（+2V）將控溫傳感器Pt100鉑電阻插入干井爐中心井另一只待測(cè)量的NTC1K熱敏電阻插入另一井從室溫起開始測(cè)量，然后開啟加熱器每隔10℃控溫系統(tǒng)設(shè)置一次，控溫穩(wěn)定2min

調(diào)整電阻箱R3

使輸出電壓為零按（1）式測(cè)量、計(jì)算得到NTC1K熱敏電阻的阻值

第39頁(yè)/共47頁(yè)3.PN結(jié)溫度傳感器溫度特性的測(cè)試

將控溫傳感器Pt100鉑電阻插入干井爐中心井

PN結(jié)溫度傳感器插入干井爐一個(gè)井內(nèi)按要求插好連線從室溫開始測(cè)量，然后開啟加熱器每隔10℃控溫系統(tǒng)設(shè)置溫度，測(cè)量PN結(jié)正向?qū)妷篣be

得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果+5V5.1K(Vbe)..9013.U第40頁(yè)/共47頁(yè)4.電流型集成溫度傳感器（AD590）(1