温度传感器的温度特性测量及应用资料.ppt

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1、物理实验设计与应用物理实验设计与应用（高中）（高中）朱炯明朱炯明上海师范大学上海师范大学 数理信息学院数理信息学院物理实验设计与应用物理实验设计与应用三三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用四四 温度传感器的温度特性测量及应用温度传感器的温度特性测量及应用五五 光敏传感器的光电特性测量及应用光敏传感器的光电特性测量及应用 温度传感器的温度特性测量及应用温度传感器的温度特性测量及应用l 目的要求目的要求l 实验仪器实验仪器l 实验原理实验原理l 实验内容实验内容l 思考题思考题l 附录附录1.学学 习习 用用 恒恒 电电 流流 法法 测测 量量 热热 电

2、电 阻阻2.学学 习习 用用 直直 流流 电电 桥桥 法法 测测 量量 热热 电电 阻阻3.测测量量铂铂电电阻阻温温度度传传感感器器(Pt100)的的温温度度特特性性4.测量测量热敏电阻热敏电阻（负温度系数）（负温度系数）温度传感器温度传感器 NTC1K的的温温度度特特性性5.测测 量量 PN结结 温温 度度 传传 感感 器器 的的 温温 度度 特特 性性6.测测量量电电流流型型集集成成温温度度传传感感器器（AD590）的的温温度度特特性性7.测量测量电压型集成温度传感器电压型集成温度传感器（LM35）的的温度特性温度特性目的要求目的要求FD-TTT-A 温度传感器温度特性实验仪温度传感器温度

3、特性实验仪 的组成：的组成：F 高准确度控温恒温加热系统高准确度控温恒温加热系统F 恒流源恒流源 直流电桥直流电桥F Pt100 铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器 F NTC1K 热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器F PN 结温度传感器结温度传感器F 电流型集成温度传感器电流型集成温度传感器 AD590F 电压型集成温度传感器电压型集成温度传感器 LM35 F 数字电压表数字电压表 实验插接线实验插接线 等等实验仪器实验仪器F“温度温度”是一个重要的热学物理量是一个重要的热学物理量F 和我们的生活环境密切相关和我们的生活环境密切相关F 对实验及生产的结果至关重要对实验及生产的结果至关重要F

4、温度传感器应用广泛温度传感器应用广泛F 温温度度传传感感器器是是利利用用一一些些金金属属、半半导导体体等等材材料料与与温温度相关的特性度相关的特性制成的制成的F 常常用用的的温温度度传传感感器器的的类类型型、测测温温范范围围和和特特点点见见表表 1实验原理实验原理实验原理实验原理1.恒电流法测量热电阻恒电流法测量热电阻2.直流电桥法测量热电阻直流电桥法测量热电阻3.Pt100 铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器4.热敏电阻热敏电阻(NTC1K)温度传感器温度传感器5.PN 结温度传感器结温度传感器6.电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）7.电压型集成温度传感器（电压型集成温度

5、传感器（LM35）1.恒电流法测量热电阻恒电流法测量热电阻F 电路如电路如 图图1 所示所示F 电源采用恒流源电源采用恒流源F R1为已知数值的固定电阻为已知数值的固定电阻F Rt 为为热电阻热电阻F UR1为为 R1上的电压上的电压 用于监测电路的电流用于监测电路的电流F Urt 为为 Rt 上的电压上的电压F 当电路电流为当电路电流为 I0,温度为温度为 t 时，时，热电阻热电阻Rt 为为R1RtUR1URtI02.直流电桥法测量热电阻直流电桥法测量热电阻直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如 图图2 所示所示直流平衡电桥直流平衡电桥F 把四个电阻把四个电阻

6、R1,R2,R3,Rt 连成一个四边形回路连成一个四边形回路 ABCDF 每条边称作电桥的一个每条边称作电桥的一个“桥臂桥臂”F 在对角接点在对角接点 A、C 之间连入直流电源之间连入直流电源 EF 在对角接点在对角接点 B、D 之间连入平衡指示仪表之间连入平衡指示仪表F B、D 两点的对角线形成一条两点的对角线形成一条“桥路桥路”当当 B、D 两两点点电电位位相相等等时时，桥桥路路中中无无电电流流通通过过，指指示示 器器 示示 值值 为为 零零，电电 桥桥 达达 到到 平平 衡衡 UAB=UAD,UBC=UDC电流电流 Ig=0,流过电阻流过电阻 R1、R3 的电流相等，的电流相等，I1=I

7、3 同理同理 I2=IRt又又 I1R1=I2R2 IRtRt=I3R3 因此因此 直流平衡电桥直流平衡电桥Pt100铂铂电电阻阻是是一一种种利利用用铂铂金金属属导导体体电电阻阻随随温温度度变变化化的的特性制成的温度传感器特性制成的温度传感器F 铂的物理、化学性能极稳定，抗氧化能力强铂的物理、化学性能极稳定，抗氧化能力强F 复制性好，易工业化生产复制性好，易工业化生产F 电阻率较高电阻率较高可用于工业检测中的精密测温和温度标准可用于工业检测中的精密测温和温度标准F 缺缺点点：价价格格昂昂贵贵，温温度度系系数数偏偏小小，受受磁磁场场影影响响较较大大按按 IEC标准，铂电阻的测温范围为标准，铂电阻

8、的测温范围为 -2006503.Pt100铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器百百度度电电阻阻比比 W（100）=1.3850时时，Ro为为100或或10，称为称为 Pt100 铂电阻或铂电阻或 Pt10 铂电阻铂电阻铂电阻的阻值与温度之间的关系：铂电阻的阻值与温度之间的关系：F 当温度当温度 t 在在-200 0 之间时之间时 Rt=R0 1+At+Bt2+C(t-100 C)t3 F 当温度当温度 在在 0 650 之间时之间时 Rt=R0(1+At+Bt2)F Rt、R0 分别为铂电阻在温度分别为铂电阻在温度 t、0 时的电阻值时的电阻值F A 10-3,B 10-7,C10-12 为为 温

9、度系数温度系数 3.Pt100铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器F 对于常用的工业铂电阻对于常用的工业铂电阻 在在 0100 范围内范围内 Rt 的表达式的表达式 可近似线性为可近似线性为 Rt=R0(1+A1t)A1 温度系数，近似为温度系数，近似为 3.8510-/F Pt100 铂电阻的阻值铂电阻的阻值 0 时时 Rt=100 100 时时 Rt=138.5 3.Pt100铂电阻温度传感器铂电阻温度传感器4.热敏电阻热敏电阻(NTC1K)温度传感器温度传感器F 热热敏敏电电阻阻是是利利用用半半导导体体电电阻阻阻阻值值随随温温度度变变化化的的特特性性来测量温度的来测量温度的F 电电阻阻阻阻值

10、值随随温温度度升升高高而而减减小小，NTC型型(负负温温度度系系数数)F 电阻阻值随温度电阻阻值随温度升高升高而而增大增大，PTC型型(正温度系数正温度系数)F CTC型型(临临界界温温度度)以以 上上 三三 种种 热热 敏敏 电电 阻阻 特特 性性 曲曲 线线 见见 图图 3 图3F 热敏电阻电阻率大，温度系数大热敏电阻电阻率大，温度系数大F 但其非线性大，置换性差，稳定性差但其非线性大，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通常只适用于一般要求不高的温度测量F 在在一一定定的的温温度度范范围围内内（小小于于450）热热敏敏电电阻阻的的电电 阻阻 Rt 与与 温温 度度 T 之

11、之 间间 有有 如如 下下 关关 系系 Rt、R0 是温度为是温度为 T(K),T0(K)时的电阻值时的电阻值 B 是热敏电阻材料常数，一般情况下是热敏电阻材料常数，一般情况下 B为为 20006000K4.热敏电阻热敏电阻(NTC1K)温度传感器温度传感器对对一一定定的的热热敏敏电电阻阻而而言言，B 为为常常数数，对对上上式式两两边边取取对数，则有对数，则有 可见，可见，lnRT 与与 1/T 成线性关系成线性关系作作 lnRT (1/T)曲曲线线，用用直直线线拟拟合合，由由斜斜率率可可求求出出常常数数 B4.热敏电阻热敏电阻(NTC1K)温度传感器温度传感器F PN 结结温温度度传传感感器

12、器 是是利利用用半半导导体体 PN 结结的的结结电电压压对温度依赖性，实现对温度检测对温度依赖性，实现对温度检测F 电电流流通通过过时时，PN 结结的的正正向向电电压压与与温温度度之之间间有有良良好的好的线性线性关系关系F 通通常常将将硅硅三三极极管管 b、c 极极短短路路，用用 b、e 极极之之间间的的 PN结作为温度传感器测量温度结作为温度传感器测量温度F 硅硅三三极极管管基基极极和和发发射射极极间间正正向向导导通通电电压压 Vbe一一般般约为约为 600mV（25），），与温度成反比与温度成反比F 线性良好，温度系数约为线性良好，温度系数约为-2.3mV/5.PN 结温度传感器结温度传感

13、器F 测温精度较高测温精度较高F 测温范围可达测温范围可达-50150F 缺点：一致性差，互换性差缺点：一致性差，互换性差5.PN 结温度传感器结温度传感器通通常常 PN 结结组组成成二二极极管管的的电电流流 I 和和电电压压 U 满满足足在常温条件下，且在常温条件下，且 时，时，可近似为可近似为 q=1.602 10 19 C 为电子电量为电子电量 k=1.38 1 10 23 J/K 为为 波波 尔尔 兹兹 曼曼 常常 数数 T 为为热热力力学学温温度度 IS 为反向饱和电流为反向饱和电流5.PN 结温度传感器结温度传感器5.PN 结温度传感器结温度传感器正正向向电电流流保保持持恒恒定定条

14、条件件下下，PN 结结的的正正向向电电压压 U 和和温温度度 t 近近 似似 满满 足足 下下 列列 线线 性性 关关 系系 U=Kt+Ugo 式式中中Ugo为为半半导导体体材材料料参参数数，K 为为 PN 结结的的结结电电压压温温度系数度系数实实验验测测量量如如 图图 46.电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）输输出出电电流流大大小小与与温温度度成成正正比比，它它的的线线性性度度极极好好温温 度度 适适 用用 范范 围围：-55150灵灵敏敏度度：1A/K它它具具有有高高准准确确度度、动动态态电电阻阻大大、响响应应速速度度快快、线线性性好好、使使用用方方便便等等特特点点A

15、D590是一个二端器件是一个二端器件电电路路符符号号如如 图图 5 所所示示6.电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）AD590 等等效效于于一一个个高高阻阻抗抗的的 恒恒流流源源，其其输输出出阻阻抗抗 10 M，能能大大大大减减小小因因电电源源电电压压变变动动而而产产生生的的测测温温误误差差工工作作电电压压：+4 +30V测测温温范范围围：-55 150热热力力学学温温度度 T 每每变变化化 1K，输输出出电电流流变变化化 1A输输出出电电流流 I0(A)与与热热力力学学温温度度 T（K）严严格格成成正正比比其其电电流流灵灵敏敏度度表表达达式式为为6.电流型集成温度传感器（

16、电流型集成温度传感器（AD590）k 波尔兹曼常数波尔兹曼常数e 电子电量电子电量R 内内部部集集成成化化电电阻阻将将 k/e=0.0862 mV/K，R=538 代代入入得得：I/T=1.000A/K T=0（K）时时,输出为输出为 273.15 AAD590 的的输输出出电电流流 I0 的的微微安安数数就就代代表表着着被被测测温温度度的的热热力力学学温温度度值值（K）AD590的的电电流流-温温度度（I-T）特特性性曲曲线线 如如 图图6 所所示示6.电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）其其输输出出电电流流表表达达式式为为 I=A t+B A 为灵敏度为灵敏度 B 为为

17、 0 时时 输输 出出 电电 流流如如需需显显示示摄摄氏氏温温标标（）则则要要加加温温标标转转换换电电路路，其其关关系系式式为为：t=T-273.15 在整个测温范围内在整个测温范围内,准确度准确度 0.5线性极好线性极好6.电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）6.电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）利用利用 AD590 的上述特性，在最简单的应用中，用一的上述特性，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个电源，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温度的测量度的测量由于由于AD590以热力学温度以热力学温度 K定标，在摄氏温标应

18、用定标，在摄氏温标应用中，应该进行中，应该进行的转换的转换实验测量电路如图实验测量电路如图7所示所示F 输出为输出为电压电压，且，且线性极好线性极好F 只只要要配配上上电电压压源源，数数字字式式电电压压表表就就可可以以构构成成一一个个精密数字测温系统精密数字测温系统F 利利 用用 下下 式式 可可 计计 算算 出出 被被 测测 温温 度度 t（）:UO=KV*t=(10 mV/)*t F 输出电压的温度系数输出电压的温度系数 KV=10.0 mV/即即 t()=UO/10 mV 电路符号见电路符号见 图图8，Vo为输出端为输出端7.电压型集成温度传感器（电压型集成温度传感器（LM35）LM35

19、+-V0实验内容实验内容实验实验1 Pt100铂电阻温度特性的测量铂电阻温度特性的测量实验实验2 NTC热敏电阻温度特性的测试热敏电阻温度特性的测试实验实验3 PN结温度传感器温度特性的测试结温度传感器温度特性的测试实验实验4 电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）实验实验5 电压型集成温度传感器（电压型集成温度传感器（LM35）1.Pt100铂电阻温度特性的测量铂电阻温度特性的测量(1)恒电流法恒电流法(2)直流电桥法直流电桥法(1)恒电流法恒电流法F 插上恒流源，监测插上恒流源，监测 R1上电流是否为上电流是否为 1mA (即即U1=1V，R1=1.00 K )F 将将控

20、温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F 另一只待测试的另一只待测试的 Pt100 铂电阻插入另一井铂电阻插入另一井F 从室温起开始测量，然后开启加热器从室温起开始测量，然后开启加热器F 每隔每隔 10 控温系统设置一次，控温稳定控温系统设置一次，控温稳定 2 min F 用式（用式（0）测量、计算）测量、计算 Pt100 铂电阻的阻值铂电阻的阻值F 到到100止止F 用最小二乘法直线拟合，求出结果用最小二乘法直线拟合，求出结果(1)恒电流法恒电流法温温度度系系数数 A=相相关关系系数数 r=(1)恒电流法恒电流法*一一般般冬冬季季可可从从 2080，夏夏

21、季季可可从从 40100，0可可用用冰冰点点来来测测量量*如需节省时间，可每隔如需节省时间，可每隔 5控温系统设置一次控温系统设置一次(2)直流电桥法直流电桥法F 插上桥路电源（插上桥路电源（+2V）F 将将控温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F 另一只待测试的另一只待测试的 Pt100 铂电阻插入另一井铂电阻插入另一井F 从室温起开始测试，然后开启加热器从室温起开始测试，然后开启加热器F 每隔每隔 10控温系统设置一次，控温稳定控温系统设置一次，控温稳定 2minF 调整电阻箱调整电阻箱 R3 使输出电压为零，电桥平衡使输出电压为零，电桥平衡F 按式

22、（按式（1）测量、计算待测）测量、计算待测 Pt100 铂电阻的阻值铂电阻的阻值F 用最小二乘法直线拟合，求出结果用最小二乘法直线拟合，求出结果2.NTC热敏电阻温度特性的测试热敏电阻温度特性的测试(1)恒电流法恒电流法(2)直流电桥法直流电桥法(1)恒电流法恒电流法与与 Pt100 铂电阻的测试相同铂电阻的测试相同F 插上恒流源，监测插上恒流源，监测 R1上电流是否为上电流是否为 1mA (即即 U1=1.00 V,R1=1.00 K )F 控温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉的中心井铂电阻插入干井炉的中心井F 另另一一待待测测试试的的 NTC1K 热热敏敏电电阻阻温温度度传传

23、感感器器插插入入另一井另一井F 从室温起开始测试，然后开启加热器从室温起开始测试，然后开启加热器F 每隔每隔 10 控温系统设置一次，控温稳定控温系统设置一次，控温稳定2min(1)恒电流法恒电流法F 按式（按式（0）测试、计算）测试、计算 NTC1K 热敏电阻的阻值热敏电阻的阻值F 到到100止止F 将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，求出结果求出结果(2)直流电桥法直流电桥法与与 Pt100 铂电阻的测量相同铂电阻的测量相同F 插上桥路电源（插上桥路电源（+2V）F 将将控温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干

24、井炉中心井F 另一只待测量的另一只待测量的 NTC1K 热敏电阻插入另一井热敏电阻插入另一井F 从室温起开始测量，然后开启加热器从室温起开始测量，然后开启加热器F 每隔每隔 10控温系统设置一次，控温稳定控温系统设置一次，控温稳定 2minF 调整电阻箱调整电阻箱 R3 使输出电压为零使输出电压为零F 按按（1）式式测测量量、计计算算得得到到 NTC1K 热热敏敏电电阻阻的的阻阻值值 3.PN结温度传感器温度特性的测试结温度传感器温度特性的测试F 将控温传感器将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F PN 结温度传感器插入干井炉一个井内结温度传感器插入干井炉一个

25、井内F 按要求插好连线按要求插好连线F 从室温开始测量，然后开启加热器从室温开始测量，然后开启加热器F 每隔每隔 10控温系统设置控温系统设置 温度，测量温度，测量 PN 结正向结正向 导通电压导通电压 UbeF 得到实验结果得到实验结果4.电流型集成温度传感器（电流型集成温度传感器（AD590）(1)按面板指示要求插好连接线按面板指示要求插好连接线F 将温度设置为将温度设置为 25F 将将控温传感器控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井铂电阻插入干井炉中心井F 温度传感器温度传感器 AD590 插入另一干井炉孔中插入另一干井炉孔中F升升温温至至25，温温度度恒恒定定后后测测试试 1K

26、电电阻阻上上的的电电压压是是否否为为 298.15 mV*上上 述述 实实 验验，环环 境境 温温 度度 必必 须须 低低 于于 25*AD590 输输出出电电流流定定标标温温度度为为 25，输输出出电电流流为为 298.15A,0时则为时则为 273.15A4.电流型集成温度传感器（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将干井炉温度设置从最低室温起测量F 每隔每隔10控温系统设置一次，控温后，恒定控温系统设置一次，控温后，恒定 2minF 测试测试 1K 电阻上电压电阻上电压5.电压型集成温度传感器（电压型集成温度传感器（LM35）F 插接好电路插接好电路F

27、 将将控温传感器控温传感器 PT100 铂电阻插入中心孔铂电阻插入中心孔F 开始从环境温度起测量，然后开启加热器开始从环境温度起测量，然后开启加热器F 每隔每隔 10控温系统设置一次，控温后，恒定控温系统设置一次，控温后，恒定2minF 测试传感器测试传感器 LM35 的输出电压的输出电压F 计算结果计算结果注注 意意F考考虑虑到到实实验验的的安安全全性性，温温度度传传感感器器实实验验设设置置的的最最高高实验温度为实验温度为 100F实实验验时时可可根根据据实实验验时时间间、季季节节情情况况选选择择 68 个个温温度度点作测试实验点作测试实验F干干井井式式恒恒温温加加热热炉炉的的恒恒温温块块选选用用纯纯度度为为 99.99%的的纯纯铜铜，可可使使恒恒温温块块中中围围绕绕中中心心干干井井的的四四个个干干井井与与中中心心井井温温度度一一致致附录附录1 冰点温度复现方法冰点温度复现方法F 将将 0 冰块用刨冰机制成冰块用刨冰机制成冰霜冰霜，放入保温杯内，放入保温杯内F 用直径与测温温度计相同的小棒压一小孔用直径与测温温度计相同的小棒压一小孔F 插入测温温度计插入测温温度计F 冰霜溶化多余的水应去除，以达到冰点温度冰霜溶化多余的水应去除，以达到冰点温度附录附录2略略