温度传感器温度特性研究

1、大学物理实验I讲义温度传感器温度特性研究温度传感器温度特性研究【目的与任务】1、掌握半导体PN结正向电压与温度的关系特性；2、学会用最小二乘法拟合实验数据求线性回归方程。【仪器与设备】FD-TTT-A型温度传感器温度特性实验仪（内含半导体PN结温度传感器、加热井、数字电压表）、连接导线、PT100控温传感器。【原理与方法】“温度”是一个重要的热学物理量， 它不仅和我们的生活环境密切相关， 在科研及生产 过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要，所以温度传感器应用非常广泛。 温度传感器是利用一些金属、半导体等材料某一个方面的物理性质与温度密切相关的特性制成的。常用的温度传感器有热敏电阻、热电

2、偶、IC温度传感器和PN结温度传感器等。常用的温度传感器的类型和作用见表1。表1常用的温度传感器的特性传感器测温范围/ c特点热电阻钳电阻-200 650准确度高、精度高、测量范围大铜电阻-50 150馍电阻-60 180半导体热敏电阻-50 150电阻率大、温度系数大、线性差、一 致性差热电偶钳铐-钳（S）01300用于高温测量、低温测量两大类、应 用不方便（零点补偿）钳铐-钳铐（B）01600馍铭-馍硅（K）01000馍铭-康铜（E）-200 750铁-康铜 （J）-40 600其 它PN结-50 150体积小、灵敏度高、线性好、一致性 差IC温度传感器-50 150线性度好、一致性好PN

3、结温度传感器是利用半导体 PN结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测的，实验 证明，在正向电流保持恒定的条件下，PN结的正向电压 U和温度T近似满足下列线性关系U=KT+Ug。,（1）式中K为PN结的结电压温度系数,Ugo为半导体材料参数。本实验将通过测量PN结温度传g感器的特征物理量随温度的变化，来了解这种温度传感器的工作原理。实验测量仪如图1。此实验仪为温度传感器综合实验仪，能用来研究多种温度传感器温度特性。本实验我们只研 究PN结。从面板上看，右下端为加热装置（加热井） ，旁边就是PN电路构件。电路中串联 了一个51K的电阻，实验时，在此串联电路两端加 5V恒压源，那么流过PN结的电流近

4、似为 恒流。图1 FD-TTT-A型温度传感器温度特性实验仪【指导与要求】一、实验主要步骤1、把控温用的PT100温度传感器插入加热井，数据线端按照颜色分别插入控温显示面 板下面的三个插孔（上右）；2、在教师的指导下，连接好 PN结电路，包含如下三个步骤，首先在串联电路的两端加上5V电源；再把测量用的 PN结温度传感器插入加热井，数据线接在 PN结标志的两个接线 柱上；最后，用导线分别连接 PN结两端接线柱到数字电压表（上左）。注意，电路一定要连 接正确，不然有可能会导致 PN烧坏。确保电路连接无误后，进行下一步；3、打开电源；5、调节控温面板上的温度选择按钮，使其温度设定为分别为30 C,加

5、热井会加热 PN结到设定温度附近。 当温度稳定后，记下此时的温度t （请转化为热力学温度 T）和数字电压 表的电压值U6、依次设定温度为 40,50,60,70,80,90 和100C,记下稳定后的温度 T和U把测量的 （Ti,Ui蹶据填入数据记录表格。二、数据记录与处理1、列表记录数据表1 不同温度下的 PN结结间电压单位：K、VN12345678TiUi2、数据处理：（1）用计算机软件（excel或者origin）做出Ui Ti特性曲线。用最小二乘法拟合得到PN结的结电压温度系数 K及半导体材料参数 Ugo。要求用计算机打印好拟合曲线图并在图 上给出拟合公式和相关系数。（2）写出实验总结（

6、包括自己对实验的看法或者体会，数据的准确性以及是否达到实 验目的）。【思考与练习】1、PN结是正温度型还是负温度型温度传感器？2、若要用NTC温度传感器测量温度，怎样将其线性化？ （NTC相关知识请参看讲义后面的附录）附录一：NTC型热敏电阻热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件，根据其电阻率随温度变化的特性不同，大致可分为三种类型：（1） NTC（负温度系数）型热敏电阻；（2） PTC（正温度系数）型热敏电阻； （3） CTC（临界温度系数）型热敏电阻。其中PTC型和CTC型热敏电阻在一定温度范围内，阻值随温度剧烈变化，因此可用做开关元件，在温度测量中使用较多的是NTC型热敏电阻。NTC型热敏

7、电阻其电阻一温度特性符合负指数规律，在不太宽的温度范围内（小于 450 C）,满足下式:1 1B(T 亍)(附 1.1 )Rt =R0e0式中RT , R0是温度为T （K）, To （K）时的电阻值；B是热敏电阻材料常数，一般情况为2000-6000 Ko定义汽为热敏电阻的温度系数:：(T) =T2，(附 1.2 )若B=4000K,当T =293.15 (20C)时，热敏电阻的 «(293.15) =0.047/K ,约为钳电阻的12倍。-6 -附录二：最小二乘法线性拟合假设N组等精度测量数据（xi, y ）满足下列线性方程y = a bx（附 2.1 ）根据测量数据可以求出最佳

8、的a和b。，测量值yi和直线上的点a十bxi的偏差di为di = y -（a+bx ）（附 2.2 ）显然，如果测量点都在直线上（可能并不都在直线上，这样只有考虑加起来可能相互抵消， 因此不可取； N等效方法：d di2对a和b为最小时, i 4b的方法叫 最小二乘法。di = 0）,求出的a和b是最理想的。但实际测量数据Ndi为最小，也就是考虑 d di为最小，但因di有正有负,Ni 1而£ di又不好解方程，因而也不可行。现在采取一种i 1di也为最小。我们把这种取N工di2为最小值，求a和i=4即:ND ='、i 1一 2di - < |Ji - a - bixi

9、根据变分原理，要上述泛函D取极小值，须FD“ yi - Na -bx xii=iiWNZi=1xiyiN-axxii=iN-bx xi2 = 0i=1（附（附（附两边同除以2.32.42.5yi1 N -a-b-"1 NN idxyi1 N -a-"N id1 .N 2-b xi = 0N i=1（附2.61 N上式中，1V xiN ia/ xiyi=xy，N i 11 N c 二H xi2 = x2 ,因此, N imb=2xrxy2（附2.7将a和b值带入线性方程y = a + bx ,即得到线性回归方程。我们根据（附 2.7 ）,就可以拟合实验数据得到线性回归方程。但是，不论测量数据（xi, yi ）是不是线性关系，由上面公式都能求出