溫度傳感器的溫度特性測量及應(yīng)用

溫度傳感器的溫度特性測量及應(yīng)用第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月物理實驗設(shè)計與應(yīng)用三非線性元件伏安特性測量及發(fā)光二極管應(yīng)用四溫度傳感器的溫度特性測量及應(yīng)用五光敏傳感器的光電特性測量及應(yīng)用

第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度傳感器的溫度特性測量及應(yīng)用

目的要求實驗儀器實驗原理實驗內(nèi)容思考題附錄第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.學(xué)習(xí)用恒電流法測量熱電阻

2.學(xué)習(xí)用直流電橋法測量熱電阻

3.測量鉑電阻溫度傳感器

(Pt100)的溫度特性

4.測量熱敏電阻（負溫度系數(shù)）溫度傳感器

NTC1K的溫度特性

5.測量PN結(jié)溫度傳感器的溫度特性

6.測量電流型集成溫度傳感器（AD590）的溫度特性

7.測量電壓型集成溫度傳感器（LM35）的溫度特性目的要求第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月FD-TTT-A溫度傳感器溫度特性實驗儀的組成：高準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)字電壓表實驗插接線等實驗儀器第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月“溫度”是一個重要的熱學(xué)物理量和我們的生活環(huán)境密切相關(guān)對實驗及生產(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、測溫范圍和特點見表1實驗原理第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗原理1.恒電流法測量熱電阻2.

直流電橋法測量熱電阻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8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.

恒電流法測量熱電阻

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)測電路的電流

Urt為Rt上的電壓當電路電流為I0,溫度為

t時，熱電阻Rt

為R1RtUR1URtI0第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.直流電橋法測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10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月直流平衡電橋

把四個電阻R1,R2,R3,Rt連成一個四邊形回路

ABCD

每條邊稱作電橋的一個“橋臂”在對角接點A、C之間連入直流電源E

在對角接點B、D之間連入平衡指示儀表

B、D兩點的對角線形成一條“橋路”第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月當B、D兩點電位相等時，橋路中無電流通過，指示器示值為零，電橋達到平衡

UAB=UAD,UBC=UDC

電流Ig=0,流過電阻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12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)檢測中的精密測溫和溫度標準缺點：價格昂貴，溫度系數(shù)偏小，受磁場影響較大

按IEC標準，鉑電阻的測溫范圍為-200——650℃3.Pt100鉑電阻溫度傳感器第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月百度電阻比W（100）=1.3850時，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：當溫度

t在-200～0℃之間時

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

當溫度在0～650℃之間時

Rt=R0(1+At+Bt2)

Rt、R0分別為鉑電阻在溫度t、0℃時的電阻值

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14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

對于常用的工業(yè)鉑電阻

在0～100℃范圍內(nèi)

Rt的表達式可近似線性為

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Rt

=100Ω100℃時Rt

=138.5Ω3.Pt100鉑電阻溫度傳感器第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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測量溫度的電阻阻值隨溫度升高而減小，NTC型(負溫度系數(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16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月圖30PTCCTCNTC4080120160200第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

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18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月對一定的熱敏電阻而言，B為常數(shù)，對上式兩邊取對數(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19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

PN

結(jié)溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電壓對溫度依賴性，實現(xiàn)對溫度檢測電流通過時，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20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

測溫精度較高測溫范圍可達-50——150℃

缺點：一致性差，互換性差5.PN結(jié)溫度傳感器第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月通常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，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22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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)實驗測量如圖4

+5V5.1K(Vbe)..9013.U第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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

它具有高準確度、動態(tài)電阻大、響應(yīng)速度快、線性好、使用方便等特點

AD590是一個二端器件電路符號如圖5所示

第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.電流型集成溫度傳感器（AD590）AD590等效于一個高阻抗的恒流源，其輸出阻抗>10MΩ，能大大減小因電源電壓變動而產(chǎn)生的測溫誤差

工作電壓：+4——+30V

測溫范圍：-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）嚴格成正比

其電流靈敏度表達式為

第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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,輸出為273.15μA第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月AD590的輸出電流

I0

的微安數(shù)就代表著被測溫度的熱力學(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27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月其輸出電流表達式為

I=At+B

A為靈敏度

B

為0℃時輸出電流

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

t=T

-273.15

在整個測溫范圍內(nèi),準確度≤±0.5℃線性極好6.電流型集成溫度傳感器（AD590）第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月6.電流型集成溫度傳感器（AD590）利用AD590的上述特性，在最簡單的應(yīng)用中，用一個電源，一個電阻，一個數(shù)字式電壓表即可用于溫度的測量

由于AD590以熱力學(xué)溫度K定標，在攝氏溫標應(yīng)用中，應(yīng)該進行℃的轉(zhuǎn)換實驗測量電路如圖7所示

5V.AD590+1.00KI=U/1.00K.U第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)成一個精密數(shù)字測溫系統(tǒng)利用下式可計算出被測溫度t（℃）:

UO=KV*t=(10mV/℃)*t

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

電路符號見圖8，Vo為輸出端7.電壓型集成溫度傳感器（LM35）LM35+-V0第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗內(nèi)容實驗1Pt100鉑電阻溫度特性的測量實驗2NTC熱敏電阻溫度特性的測試實驗3PN結(jié)溫度傳感器溫度特性的測試實驗4電流型集成溫度傳感器（AD590）實驗5電壓型集成溫度傳感器（LM35）第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1.Pt100鉑電阻溫度特性的測量(1)恒電流法

(2)直流電橋法第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)恒電流法

插上恒流源，監(jiān)測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試的Pt100鉑電阻插入另一井從室溫起開始測量，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）測量、計算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33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)恒電流法溫度系數(shù)A=相關(guān)系數(shù)r=

第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)恒電流法*一般冬季可從20～80℃，夏季可從40～100℃，0℃可用冰點來測量

*如需節(jié)省時間，可每隔5℃控溫系統(tǒng)設(shè)置一次第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(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試的Pt100鉑電阻插入另一井從室溫起開始測試，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）測量、計算待測Pt100鉑電阻的阻值用最小二乘法直線擬合，求出結(jié)果第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.NTC熱敏電阻溫度特性的測試(1)恒電流法(2)直流電橋法第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)恒電流法與Pt100鉑電阻的測試相同插上恒流源，監(jiān)測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試的NTC1K熱敏電阻溫度傳感器插入另一井從室溫起開始測試，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38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)恒電流法

按式（0）測試、計算NTC1K熱敏電阻的阻值到100℃止將測量數(shù)據(jù)用最小二乘法進行曲線指數(shù)回歸擬合，求出結(jié)果

第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)直流電橋法與Pt100鉑電阻的測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量的NTC1K熱敏電阻插入另一井從室溫起開始測量，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）式測量、計算得到NTC1K熱敏電阻的阻值