温度传感器论文

1、温度传感器实验摘 要： 实验以Pt100作为标准测温器件来研究实验室中各种温度传感器的温度特性，比较它们之间的相同点与不同点，对于了解它们的工作特点以及日后选用合适的温度传感器方面有很大帮助。关键词： 温度传感器；热敏电阻；热电偶；PN结Experiments On Temperature SensorAbstract: Experiments used Pt100 as standards to research the temperature characteristics of different temperature sensors and compared similarities

2、 and differences between them which is of great help for us to understand the way they work and to choose appropriate temperature sensors later in life and work.key words: Temperature sensor； thermistor； thermocouple； PN junction 温度是表征物体冷热程度的物理量，一般只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。温度传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的器件，

3、在日常生活中有着广泛的应用。温度传感器的种类很多，它们都有着各自的优点与局限性。了解温度传感器的测温原理、工作特性上的差异对于日后工作生活中选取和使用温度传感器有很大帮助。1、实验方法1.1 公式推导1.1.1 敏电阻阻值与温度的关系在一定的温度范围内，半导体的电阻率r和温度T 之间有如下关系： （1.1）式中A1 和B 是与材料物理性质有关的常数，T 为绝对温度。对于截面均匀的热敏电阻，其阻值可用下式表示： (1.2)将（1.2）式代入（1.1）式，令，于是可得： （1.3）对一定的电阻而言，A 和B 均为常数。对(1.3)式两边取对数，则有： （1.4）式中为在温度T(K)时的电阻值()，

4、A 为在某温度时的电阻值()，B为常数(K)，其值与半导体材料的成分和制造方法有关。1.1.2 PN结正向压降与温度的关系理想的PN 结的正向电流IF 和正向压降VF 存在如下近关系式： （2.1）其中q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；为反向饱和电流。是一个和PN结材料的禁带宽度以及温度有关的系数，可以证明： （2.2）其中C是与结面积、掺质浓度等有关的常数，r也是常数（r的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取r=3.4）；为绝对零度时PN 结材料的带底和价带顶的电势差。将（2.2）式代入（2.1）式，两边取对数可得： （2.3）其中， 。方程(2.3)就是PN结正向压降

5、作为电流和温度函数的表达式，它是PN结温度传感器的基本方程。令=常数，则正向压降只随温度而变化，只不过在方程(2.3)中包含了非线性项。可以证明，在室温范围附近，项所引起的线性误差很小，因此可以忽略。下面研究PN结的线性响应，设温度由变为时，正向电压由变为，按理想的线性温度响应，应取如下形式： (2.4)由(2.3)式可得： （2.5）所以，有：1.2 热电偶原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图2-1所示。当导体A和B的两个接触点之间存在温差时，回路内便产生电动势，这种现象称为热电效应（或称塞贝克效应）。热电偶就是利用这一效应来工作的，它能将对温度的测量直接转

6、换成对电势的测量，是工业上最常用的温度检测元件之一。图1 热电偶原理图图2 热电偶的一种引线示意图当组成热电偶的材料一定时，温差电动势Ex仅与两接点处的温度有关，并且与两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式：式中称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶是不同的，其数值上等于两接点温度差为1时所产生的电动势。为工作端温度，为冷端的温度。为了测量温差电动势，就需要在图1的回路中接入电位差计，但测量仪器的引入不能影响热电偶原来的性质，例如不影响它在一定的温差T-Tc下应有的电动势Ex值。要做到这一点，实验时应保证一定的条件。根据伏打定律，即在A、B两种金属之间插入第三种金属C时，若它与A、B

7、的两连接点处于同一温度Tc，则该闭合回路的温差电动势与上述只有A、B两种金属组成回路时的数值完全相同。所以，我们把A、B两根不同化学成份的金属丝的一端焊在一起，构成热电偶的热端(工作端)。将另两端各与铜引线(即第三种金属C)焊接，构成两个同温度(Tc)的冷端(自由端)。铜引线与电位差计相连，这样就组成一个热电偶温度计，如图2所示。通常将冷端置于冰水混合物中，保持Tc=0，将热端置于待测温度处，即可测得相应的温差电动势，再根据事先校正好的曲线或数据来求出温度Th。1.3 三线制接法热电阻采用三线制接法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电

8、阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。2、实验内容、数据处理与讨论·2.1 实验步骤以Pt100 作为标准测温器件来定标实验室中的NTC和PTC温度传感器，绘制热电偶和PN结温度传感器温度特性曲线，温度范围控制在室温到100之间。·2.2 数据处理与讨论·2.2.1 热敏电阻特性实验表1 NTC与PTC电阻随温度变化数据T/kR1/ R2/ 1

9、/T(1/k)lnR1lnR2305.733970378.53.27E-038.2865.936309.703442381.53.23E-038.1445.944313.672970385.43.19E-037.9965.954317.642570393.53.15E-037.8525.975321.612232407.53.11E-037.7116.010325.591947423.73.07E-037.5746.049329.561706444.53.03E-037.4426.097333.531470473.03.00E-037.2936.159337.501290518.22.96E-

10、037.1626.250341.471128572.02.93E-037.0286.349345.459830648.42.89E-036.8916.475349.42873.0745.72.86E-036.7726.614353.39760.0910.02.83E-036.6336.813357.36667.011402.80E-036.5037.039注：R1为NTC电阻，R2为PTC电阻图3 NTC温度传感器电阻温度曲线由图3以及拟合曲线可以看出，lnR1与1/T成线性关系，满足函数表达式：，由此可以得出=-4.027，于是=0.0178。图4 PTC温度传感器电阻温度曲线如图4所示，l

11、nR2与T并不成简单的线性关系，通过拟合可知，lnR2与T满足函数表达式：也即R2与e的T次方的一个函数表达式是成线性关系的。由热敏电阻温度系数的定义式可以求出NTC的温度系数表达式为，对应的曲线如下图：图5 NTC温度系数曲线PTC的温度系数表达式为图像如下：图6 PTC温度系数曲线比较两种热敏电阻的温度特性曲线可以看出，NTC的电阻随温度的升高而下降，属于负温度系数热敏电阻；PTC的电阻随温度的升高而增大，属于正温度系数热敏电阻。而金属热电阻一般随着温度升高电阻减小。实验过程中要控制加热电流不能过高，否则极易超过设定的温度，而降温又很麻烦，影响实验的效率。·2.2.2 热电偶温差

12、电动势测量与研究表2 热电偶温差电动势与温度关系数据绝对温度T（K）Th-Tc(K)热电偶电压（v）300.8327.680.00117305.9432.790.00138311.0537.900.00160316.1543.000.00183321.2648.110.00204326.3753.220.00224331.4758.320.00251336.5863.430.00278341.6968.540.00305346.8073.650.00331351.9078.750.00356357.0183.860.00369362.1288.970.00395367.2394.080.004

13、22372.3399.180.00447注：Tc为0时所对应的绝对温度图7 热电偶温度特性曲线由热电偶温度特性曲线图像可以看出，热电偶的电阻与实验温度和摄氏零度对应的绝对温度只差T成线性关系，且满足表达式：，因而可以知道热电偶的温差系数=4.655E-5。比较热电偶与热敏电阻试验中所用的两种电阻可以知道，热电偶的灵敏度要比热敏电阻低，而且还需要一个参考温度，但从另一方面来看，它却比热敏电阻有更好的线性，在实际操作中调节起来相对而言会更方便。·2.2.3 PN结正向压降与温度关系的研究和应用表3 PN结正向电压与温度数据绝对温度（T）PN结电压（V）273.150.618300.83

14、0.556305.94 0.544311.05 0.533316.15 0.521321.26 0.509326.37 0.498331.47 0.486336.58 0.472341.69 0.461346.80 0.450351.90 0.438357.01 0.425362.12 0.413367.23 0.401372.33 0.387图8 PN结正向压降与温度关系曲线从数据表格中我们可以得到0下的从图中可以看出，PN结的正向压降与温度成线性关系，经过拟合可以得出曲线满足表达式：。单位转换后可以得到PN结正向压降随温度变化的灵敏度S=-2.35mV/。由公式可以得到1.26V，所以，与

15、公认值比较，误差约为4.13%.通过公式推导可以得到和满足如下表达式：，所以与成线性关系，斜率就是。根据表4中实验测得的数据做出0下-曲线如下：图9 V与lnI曲线图表4 VF与lnI实验数据I/mAVF/VlnI0.0300.592-3.5070.0400.597-3.2190.0500.602-2.9960.0600.607-2.8130.0800.612-2.5260.0900.617-2.4080.150.628-1.8970.170.630-1.7720.180.632-1.7150.200.634-1.6090.220.636-1.5140.240.638-1.4270.260.6

16、40-1.3470.280.642-1.2730.270.641-1.3090.310.644-1.1710.340.647-1.0790.370.649-0.9943经过拟合可以知道直线的满足表达式：，通过斜率与k的关系可以推算出k=1.34E-23J/K。与公认值k=1.3806505E-23J/K进行比较，误差约为2.9%。从实验结果可以看出，随着温度的升高，PN结随温度变化的线性变差。这是因为在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。温度升高会使得热运动加快，使得电阻的线性变差。在实验中应选取较小的工作电流。大电流的热效应比小电流更明显，而温度对PN结的线性有着较大的影响，所以选用较小的工作电流可以在较长