温传感器的温特性测量及应用.pptx

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1、物理实验设计与应用三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用四 温度传感器的温度特性测量及应用五 光敏传感器的光电特性测量及应用 第1页/共47页温度传感器的温度特性测量及应用l 目的要求l 实验仪器l 实验原理l 实验内容l 思考题l 附录第2页/共47页1.学习用恒电流法测量热电阻2.学习用直流电桥法测量热电阻3.测量铂电阻温度传感器(Pt100)的温度特性4.测量热敏电阻（负温度系数）温度传感器 NTC1K的温度特性5.测量PN结温度传感器的温度特性6.测量电流型集成温度传感器（AD590）的温度特性7.测量电压型集成温度传感器（LM35）的温度特性目的要求第3页/共47页FD-TTT-

2、A 温度传感器温度特性实验仪 的组成：高准确度控温恒温加热系统 恒流源 直流电桥 Pt100 铂电阻温度传感器 NTC1K 热敏电阻温度传感器 PN 结温度传感器 电流型集成温度传感器 AD590 电压型集成温度传感器 LM35 数字电压表 实验插接线 等实验仪器第4页/共47页“温度”是一个重要的热学物理量 和我们的生活环境密切相关 对实验及生产的结果至关重要 温度传感器应用广泛 温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的 常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见表 1实验原理第5页/共47页第6页/共47页实验原理1.恒电流法测量热电阻2.直流电桥法测量热电阻3.Pt10

3、0 铂电阻温度传感器4.热敏电阻(NTC1K)温度传感器5.PN 结温度传感器6.电流型集成温度传感器（AD590）7.电压型集成温度传感器（LM35）第7页/共47页1.恒电流法测量热电阻 电路如 图1 所示 电源采用恒流源 R1为已知数值的固定电阻 Rt 为热电阻 UR1为 R1上的电压 用于监测电路的电流 Urt 为 Rt 上的电压 当电路电流为 I0,温度为 t 时，热电阻Rt 为R1RtUR1URtI0第8页/共47页2.直流电桥法测量热电阻直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如 图2 所示第9页/共47页直流平衡电桥 把四个电阻 R1,R2,R3,Rt 连成一个四边形回路 ABCD 每

4、条边称作电桥的一个“桥臂”在对角接点 A、C 之间连入直流电源 E 在对角接点 B、D 之间连入平衡指示仪表 B、D 两点的对角线形成一条“桥路”第10页/共47页当 B、D 两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示器示值为零，电桥达到平衡 UAB=UAD,UBC=UDC电流 Ig=0,流过电阻 R1、R3 的电流相等，I1=I3 同理 I2=IRt又 I1R1=I2R2 IRtRt=I3R3 因此 直流平衡电桥第11页/共47页Pt100铂电阻是一种利用铂金属导体电阻随温度变化的特性制成的温度传感器 铂的物理、化学性能极稳定，抗氧化能力强 复制性好，易工业化生产 电阻率较高可用于工业检测中的精

5、密测温和温度标准 缺点：价格昂贵，温度系数偏小，受磁场影响较大按 IEC标准，铂电阻的测温范围为 -2006503.Pt100铂电阻温度传感器第12页/共47页百度电阻比 W（100）=1.3850时，Ro为100或10，称为 Pt100 铂电阻或 Pt10 铂电阻铂电阻的阻值与温度之间的关系：当温度 t 在-200 0 之间时 Rt=R0 1+At+Bt2+C(t-100C)t3 当温度 在 0 650 之间时 Rt=R0(1+At+Bt2)Rt、R0 分别为铂电阻在温度 t、0 时的电阻值 A 10-3,B 10-7,C10-12 为 温度系数 3.Pt100铂电阻温度传感器第13页/共4

6、7页 对于常用的工业铂电阻 在 0100 范围内 Rt 的表达式 可近似线性为 Rt=R0(1+A1t)A1 温度系数，近似为 3.8510-/Pt100 铂电阻的阻值 0 时 Rt=100 100 时 Rt=138.5 3.Pt100铂电阻温度传感器第14页/共47页4.热敏电阻(NTC1K)温度传感器 热敏电阻是利用半导体电阻阻值随温度变化的特性来测量温度的 电阻阻值随温度升高而减小，NTC型(负温度系数)电阻阻值随温度升高而增大，PTC型(正温度系数)CTC型(临界温度)以上三种热敏电阻特性曲线见 图 3 第15页/共47页图3第16页/共47页 热敏电阻电阻率大，温度系数大 但其非线性

7、大，置换性差，稳定性差通常只适用于一般要求不高的温度测量 在一定的温度范围内（小于450）热敏电阻的电阻 Rt 与温度 T 之间有如下关系 Rt、R0 是温度为 T(K),T0(K)时的电阻值 B 是热敏电阻材料常数，一般情况下 B为 20006000K4.热敏电阻(NTC1K)温度传感器第17页/共47页对一定的热敏电阻而言，B 为常数，对上式两边取对数，则有 可见，lnRT 与 1/T 成线性关系作 lnRT (1/T)曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数 B4.热敏电阻(NTC1K)温度传感器第18页/共47页 PN 结温度传感器 是利用半导体 PN 结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测

8、 电流通过时，PN 结的正向电压与温度之间有良好的线性关系 通常将硅三极管 b、c 极短路，用 b、e 极之间的 PN结作为温度传感器测量温度 硅三极管基极和发射极间正向导通电压 Vbe一般约为 600mV（25），与温度成反比 线性良好，温度系数约为-2.3mV/5.PN 结温度传感器第19页/共47页 测温精度较高 测温范围可达-50150 缺点：一致性差，互换性差5.PN 结温度传感器第20页/共47页通常 PN 结组成二极管的电流 I 和电压 U 满足在常温条件下，且 时，可近似为 q=1.602 10 19 C 为电子电量 k=1.38 1 10 23 J/K 为波尔兹曼常数 T 为

9、热力学温度 IS 为反向饱和电流5.PN 结温度传感器第21页/共47页5.PN 结温度传感器正向电流保持恒定条件下，PN 结的正向电压 U 和温度 t 近似满足下列线性关系 U=Kt+Ugo 式中Ugo为半导体材料参数，K 为 PN 结的结电压温度系数实验测量如 图 4第22页/共47页6.电流型集成温度传感器（AD590）输出电流大小与温度成正比，它的线性度极好温度适用范围：-55150灵敏度：1A/K它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点AD590是一个二端器件电路符号如 图 5 所示第23页/共47页6.电流型集成温度传感器（AD590）AD590 等效于一个高

10、阻抗的 恒流源，其输出阻抗 10 M，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差工作电压：+4 +30V测温范围：-55 150热力学温度 T 每变化 1K，输出电流变化 1A输出电流 I0(A)与热力学温度 T（K）严格成正比其电流灵敏度表达式为第24页/共47页6.电流型集成温度传感器（AD590）k 波尔兹曼常数e 电子电量R 内部集成化电阻将 k/e=0.0862 mV/K，R=538 代入得：I/T=1.000A/K T=0（K）时,输出为 273.15 A第25页/共47页AD590 的输出电流 I0 的微安数就代表着被测温度的热力学温度值（K）AD590的电流-温度（I-T）特性曲

11、线 如 图6 所示6.电流型集成温度传感器（AD590）第26页/共47页其输出电流表达式为 I=A t+B A 为灵敏度 B 为 0 时输出电流如需显示摄氏温标（）则要加温标转换电路，其关系式为：t=T-273.15 在整个测温范围内,准确度 0.5线性极好6.电流型集成温度传感器（AD590）第27页/共47页6.电流型集成温度传感器（AD590）利用 AD590 的上述特性，在最简单的应用中，用一个电源，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温度的测量由于AD590以热力学温度 K定标，在摄氏温标应用中，应该进行的转换实验测量电路如图7所示第28页/共47页 输出为电压，且线性极好 只要配上

12、电压源，数字式电压表就可以构成一个精密数字测温系统 利用下式可计算出被测温度 t（）:UO=KV*t=(10 mV/)*t 输出电压的温度系数 KV=10.0 mV/即 t()=UO/10 mV 电路符号见 图8，Vo为输出端7.电压型集成温度传感器（LM35）LM35+-V0第29页/共47页实验内容实验1 Pt100铂电阻温度特性的测量实验2 NTC热敏电阻温度特性的测试实验3 PN结温度传感器温度特性的测试实验4 电流型集成温度传感器（AD590）实验5 电压型集成温度传感器（LM35）第30页/共47页1.Pt100铂电阻温度特性的测量(1)恒电流法(2)直流电桥法第31页/共47页(

13、1)恒电流法 插上恒流源，监测 R1上电流是否为 1mA (即U1=1V，R1=1.00 K )将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 另一只待测试的 Pt100 铂电阻插入另一井 从室温起开始测量，然后开启加热器 每隔 10 控温系统设置一次，控温稳定 2 min 用式（0）测量、计算 Pt100 铂电阻的阻值 到100止 用最小二乘法直线拟合，求出结果第32页/共47页(1)恒电流法温度系数 A=相关系数 r=第33页/共47页(1)恒电流法*一般冬季可从 2080，夏季可从 40100，0可用冰点来测量*如需节省时间，可每隔 5控温系统设置一次第34页/共47页(2)直流电桥法

14、 插上桥路电源（+2V）将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 另一只待测试的 Pt100 铂电阻插入另一井 从室温起开始测试，然后开启加热器 每隔 10控温系统设置一次，控温稳定 2min 调整电阻箱 R3 使输出电压为零，电桥平衡 按式（1）测量、计算待测 Pt100 铂电阻的阻值 用最小二乘法直线拟合，求出结果第35页/共47页2.NTC热敏电阻温度特性的测试(1)恒电流法(2)直流电桥法第36页/共47页(1)恒电流法与 Pt100 铂电阻的测试相同 插上恒流源，监测 R1上电流是否为 1mA (即 U1=1.00 V,R1=1.00 K )控温传感器 Pt100 铂电阻插入

15、干井炉的中心井 另一待测试的 NTC1K 热敏电阻温度传感器插入另一井 从室温起开始测试，然后开启加热器 每隔 10 控温系统设置一次，控温稳定2min 第37页/共47页(1)恒电流法 按式（0）测试、计算 NTC1K 热敏电阻的阻值 到100止 将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，求出结果第38页/共47页(2)直流电桥法与 Pt100 铂电阻的测量相同 插上桥路电源（+2V）将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 另一只待测量的 NTC1K 热敏电阻插入另一井 从室温起开始测量，然后开启加热器 每隔 10控温系统设置一次，控温稳定 2min 调整电阻箱 R3 使输出电压

16、为零 按（1）式测量、计算得到 NTC1K 热敏电阻的阻值 第39页/共47页3.PN结温度传感器温度特性的测试 将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 PN 结温度传感器插入干井炉一个井内 按要求插好连线 从室温开始测量，然后开启加热器 每隔 10控温系统设置 温度，测量 PN 结正向 导通电压 Ube 得到实验结果第40页/共47页4.电流型集成温度传感器（AD590）(1)按面板指示要求插好连接线 将温度设置为 25 将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 温度传感器 AD590 插入另一干井炉孔中升温至25，温度恒定后测试 1K电阻上的电压是否为 298.15 mV

17、*上述实验，环境温度必须低于25*AD590 输出电流定标温度为 25，输出电流为 298.15A,0时则为 273.15A第41页/共47页4.电流型集成温度传感器（AD590）(2)将干井炉温度设置从最低室温起测量 每隔10控温系统设置一次，控温后，恒定 2min 测试 1K 电阻上电压第42页/共47页5.电压型集成温度传感器（LM35）插接好电路 将控温传感器 PT100 铂电阻插入中心孔 开始从环境温度起测量，然后开启加热器 每隔 10控温系统设置一次，控温后，恒定2min 测试传感器 LM35 的输出电压 计算结果第43页/共47页注 意考虑到实验的安全性，温度传感器实验设置的最高实验温度为 100实验时可根据实验时间、季节情况选择 68 个温度点作测试实验干井式恒温加热炉的恒温块选用纯度为 99.99%的纯铜，可使恒温块中围绕中心干井的四个干井与中心井温度一致第44页/共47页附录1 冰点温度复现方法 将 0 冰块用刨冰机制成冰霜，放入保温杯内 用直径与测温温度计相同的小棒压一小孔 插入测温温度计 冰霜溶化多余的水应去除，以达到冰点温度第45页/共47页附录2略第46页/共47页感谢您的观看！第47页/共47页