温度传感器论文

1、温度传感器论文徐彬杰(四川大学物理学院学号：1142021030)摘要：温度是表征物体冷热程度的物理量.温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量.测温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传感器.传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域数量高居各种传感器之首.半导体传感器是利用某些半导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的.半导体具有很宽的温度反响特性,各种半导体的温度反响区段不同.本文主要论述了通过使用DH-SJ5温度传感器实验装置探究几种不同类型的温度传感器的原理和温度特性.本文主要讨论了DH-SJ5通过使用DH-SJ5温

2、度传感器实验装置探索一些不同类型的温度传感器原理及温度特性.关键词：温度传感器,DH-SJ5恒温装置,九孔板一、温度传感器概述温度是一个根本的物理量,自然界中的一切过程无不与温度密切相关.温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器.温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器.在半导体技术的支持下,相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器.二、温度传感器的类型2.1 电阻式传感器热电阻式传感器是利用导电物体的电阻率随温度而变化的效应制成的传感器.热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器.它的主要特点是测量精度高,性能稳定.它分为金属热电阻和半导体热电阻两大类.金属热电阻的电阻

3、值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,即Rt=Rto1+a(t-t0)式中,R为温度t时的阻值；R0为温度t0(通常t0=0C)时对应电阻值；a为温度系数.半导体热敏电阻的阻值和温度关系为BRAe7式中R为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数.常用的热电阻有钳热电阻、热敏电阻和铜热电阻.其中钳电阻的测量精确度是最高的,它不仅广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪.金属钳具有电阻温度系数大,感应灵敏；电阻率高,元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化根本呈线性关系；在测温范围内,物理、化学性能稳定,长期复现性好,测量精度高,是目前公认制造热电阻的最好材料.但钳在高温下,易受复原性

4、介质的污染,使钳丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系,因此使用时应装在保护套管中.用钳的此种物理特性制成的传感器称为钳电阻温度传感器,利用钳的此种物理特性制成的传感器称为钳电阻温度传感器,通常使用的钳电阻温度传感器零度阻值为100a,电阻变化率为0.3851a/c,TCR=(R00-Ro)/(R0X100),R为0c的阻值,R00为100c的阻值,按IEC751国际标准,温度系数TCR=0.003851,Pt100(R=100Q)、Pt1000(R=1000Q)为统一设计型钳电阻.钳热电阻的特点是物理化学性能稳定.尤其是耐氧化水平强、测量精度高、应用温度范围广,有很好的重现性,是中低温区(-2

5、00C650C)最常用的一种温度检测器.热敏电阻(ThermallySensitiveResistor,简称为Thermistor),是对温度敏感的电阻的总称,是一种电阻元件,即电阻值随温度变化的电阻.一般分为两种根本类型：负温度系数热敏电阻NTCNegativeTemperatureCoefficient和正温度系数热敏电阻PTCPositiveTemperatureCoefficient.NTC热敏电阻表现为随温度的上升,其电阻值下降；而PTC热敏电阻正好相反.NTC热敏热电阻大多数是由Mn镒、Ni馍、Co钻、Fe铁、Cu铜等金属的氧化物经过烧结而成的半导体材料制成.因此,不能在太高的温度

6、场合下使用.不竟然,其使用范围有的也可以到达了-200C700C,但一般的情况下,其通常的使用范围在-100C300oNTC热敏热电阻热响应时间一般跟封装形式、阻值、材料常数热敏指数、热时间常数有关.材料常数热敏指数B值反映了两个温度之间的电阻变化,热敏电阻的特性就是由它的大小决定的,B值K被定义为：B-lR1-ln-R22.30262R"2;加：温度TiK时的零功率电阻值；RT2:温度T2K时的零功率电阻值；Ti,T2:两个被指定的温度K.对于常用的NTC热敏电阻,B值范围一般在2000K6000K之间.热时间常数是指在零功率条件下,当温度突变时,热敏电阻的温度变化了始未两个温度差

7、的63.2%时所需的时间.热时间常数与NTC热敏电阻的热容量成正比,与其耗散系数成反比.这两种热敏电阻均具有特定的特点和优点,以应用于不同的领域.而铜Cu50热电阻测温范围小,在-50150c范围内,稳定性好,廉价；但体积大,机械强度较低.铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系,温度线数大,适用于无腐蚀介质,超过150c易被氧化.通常用于测量精度不高的场合.铜电阻有R=50Q和R=100Q两种,它们的分度号为Cu50和Cu100.其中Cu50的应用最为广泛.2.2半导体温度传感器PN结半导体温度传感器是利用半导体PN结的温度特性制成的.其工作原理是PN结两端的电压随着温度的升高而减少.PN结

8、温度传感器那么具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧等特点,尤其是温度数字化、温度限制以及用微机进行温度实时讯号处理等方面,乃是其它温度传感器所不能比较的.目前结型温度传感器主要以硅为材料,原因是硅材料易于实现功能化,即将测温单元和恒流、放大等电路组合成一块集成电路.美国Motorola公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件,如今灵敏度高达100mV/C、分辨率不低于0.1C的硅集成电路温度传感器.但是以硅为材料的这类温度传感器也不是尽善尽美的,在非线性不超过标准值0.5%的条件下,其工作温度一般为-50C150C,与其它温度传感器相比,测温范围的局限性较大,如果采用不同材料如睇化锢或

9、神化钱的PN结可以展宽低温区或高温区的测量范围.八十年代中期我国就研制成功SiC为材料的PN结温度传感器,其高温区可延伸到500C,并荣获国际博览会金奖.2.3 晶体温度传感器晶体温度传感器是利用晶体的各向异性,并通过选择适当的切割角度切割而成,这是一种可将温度转换成频率的传感器,这种传感器用于计算机测量时可省去模数转换.因此,适合于计算机测温的应用.2.4 非接触型温度传感器非接触型温度传感器是利用物体外表散发出来的光或热来进行测量的.常用的非接触型传感器多数是红外传感器,适合于高速运行物体、带电体、高温及高压物体的温度测量.这种红外测温传感器具有反响速度快、灵敏度高、测量准确、测温范围广泛

10、等特点.2.5 热电式传感器1、热电偶测温根本原理将两种不同的金属丝一端熔合起来,如果给它们的连结点和基准点之间提供不同的温度,就会产生电压,即热电势.这种现象叫做塞贝克效应.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的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应.热电偶就是利用这一效应来工作的,属有源传感器.它能将温度直接转换成热电势.热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一.其优点是：1测量精度高.因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响.2测量范围广.测温范围极宽、从-270

11、C的极低温度到2600C的超高温度都可以测量,而且在600C2000c的温图2-1度范围内可以进行精确的测量600C以下时,钳电阻的测量精度更高.某些特殊热电偶最低可测到-269C如金铁馍铭,最高可达+2800C如鸨-铢.3构造简单,使用方便.热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便.4测温精度高、准确、可靠、性能稳定、热惯性小.通常用于高温炉的测量和快速测量方面.2、热电偶的种类及结构形成1热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类.所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶

12、,它有与其配套的显示仪表可供选用.非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某些特殊场合的测量.标准化热电偶我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产,并指定S、B、EK、RJ、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶.2热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作,对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固.两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路.补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠.保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离.3、热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重特别是采用贵金属时,而测温

13、点到仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低本钱,通常采用补偿导线把热电偶的冷端自由端延伸到温度比较稳定的限制室内,连接到仪表端子上.必须指出,热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到限制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用.因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0W0C时对测温的影响.在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配,极性不能接错,补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100C.2.6 光纤温度传感器光纤温度传感器分为相位调制型光纤温度传感器灵敏度高、热辐射光纤温度传感器可监视一些大型电气设备,如电机、变压器等内部热点的变化情况和传

14、光型光纤温度传感器体积小、灵敏度高、工作可靠、易制作.2.7液压温度传感器这种传感器流体受热会产生膨胀,膨胀程度与所加的热量成正比.在根据液压原理制成的温度传感器中,最普通的就是大家熟悉的水银温度计.2.8 智能温度传感器智能温度传感器由于在一个芯片上集成有温度传感器、处理器、存储器、A/D转换器等部件.因此,这类传感器具有判断和信息处理水平,并可对测量值进行各种修正和误差补偿,同时还带有自诊断、自校准功能,可大大提升系统的可靠性,并能和计算机直接联机.三、DH-SJ5温度传感器实验装置概述DH-SJ5型温度传感器实验装置是以别离的温度传感器探头元器件,单个电子元件,以九孔板为实验平台来测量温

15、度的设计性实验装置.该实验装置提供了多种测温方法,自行设计测温电路来测量温度传感器的温度特性.实验配有钳电阻Pt100、热敏电阻NTC和PTQ、铜电阻Cu5R铜-康铜热电偶、PN结、AD590和LM35等温度传感器.本实验装置采用智能温度限制器控温.具有以下的特点：1、控温精度高、范围广、加热所需的温度可自由设定,采用数字显示.2、使用低电压恒流加热、平安可靠、无污染.加热电流连续可调.3、本仪器提供的是单个别离的温度传感器,形象直观,给实验带来了很大的方便,可对不同传感器的温度特性进行比较,更易于掌握它们的温度特性.4、采用九孔板作为实验平台,提供设计性实验.5、加热炉配有风扇,在做降温实验

16、过程中可采用风扇快速降温.6、整体结构设计新奇,紧凑合理,外型美观大方.主要技术指标1、电源电压：AC220世10%50/60Hz2、工作环境：温度040C,相对湿度V80%勺无腐蚀性场合3、控温范围：室温120c4、温度限制精度：土0.2C5、分辩率：0.1C6、限制方式：先进的PID限制温控仪与恒温炉的连线国度传感实验牍置口和环屯IT黄节龊热地曲图3-1Pt100的插头与温控仪上的插座颜色对应得相连接.红一红；黄一黄；蓝一蓝.四、课题研究4.1本课题将进行四个实验,分别研究了热电阻温度传感器Pt100钳电阻、Cu50铜电阻和热敏电阻NTC和PT.的温度特性及其测温原理；研究热电偶的温差电动

17、势；PN结正向压降与温度关系的研究和应用；集成温度传感器AD590和LM35的测温原理,及其温度特性.其中本论文着重介绍电阻温度传感器的温度特性.五、实验设计和探究5.11.pt100钳电阻的测温原理金属钳Pt的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性,利用钳的此种物理特性制成的传感器称为钳电阻温度传感器,通常使用的钳电阻温度传感器零度阻值为100Q,电阻变化率为0.3851Q/o钳电阻温度传感器精度高,稳定性好,应用温度范围广,是中低温区(-200650C)最常用的一种温度检测器,不仅广泛应用于工业测温,而且被制成各种标准温度计(涵盖国家和世界基准温度)供计量和校准使用.按IEC

18、751国际标准,温度系数TCR=0.003851,Pt100(R=100Q)、Pt1000(R=1000Q)为统一设计型钳电阻.(1)TCR=(R100-R0)/(R0X100)100c时标准电阻值R100=138.51QO100c时标准电阻值R1000=1385.1QOPt100钳电阻的阻值随温度变化而变化计算公式：-200<t<0CRt=R1+At+Bt2+C(t-100)t3(2)0<t<850CRt=R(1+At+B/)(3)R在tC时的电阻值；R时的电阻值.式中AB、C的系数各为：A=3.90802X10-3C1;B=-5.802X10-7C2;C=-4.27

19、350X10-12C4.由(3)式可知,在0c100c时,pt100的电阻R大小与温度t是成二次函数关系的,二次项系数为BK,一次项系数为ARo2、热敏电阻温度特性原理(NTC型)热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻,它有负温度系数和正温度系数两种.负温度系数的热敏电阻(NTC)的电阻率随着温度的升高而下降(一般是按指数规律)；而正温度系数热敏电阻(PTC)的电阻率随着温度的升高而升高；金属的电阻率那么是随温度的升高而缓慢地上升.热敏电阻对于温度的反响要比金属电阻灵敏得多,热敏电阻的体积也可以做得很小,用它来制成的半导体温度计,已广泛地使用在自动限制和科学仪器中,并在物理、化学和生

20、物学研究等方面得到了广泛的应用.在一定的温度范围内,半导体的电阻率和温度T之间有如下关系：B/TAe(5)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Rr可用下式表不：lRt一(6)S式中Rt的单位为Q,的单位为Qcm,l为两电极间的距离,单位为cm,S为电阻的横截2l面积,单位为cm.将(5)式代入(6)式,令AA-,于是可得:sRtAeB/T(7)对一定的电阻而言,A和B均为常数.对(7)式两边取对数,那么有一_1,.InRtBInA(8)InRt与p成线性关系,在实验中测得各个温度T的R值后,即可通过作图求出B和A值,代入(7)式,即可得到R的表达

21、式.式中Rt为在温度T(K)时的电阻值(),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.图5-1表示了热敏电阻NTC与普通电阻的不同温度特性.3、Cu50铜电阻温度特性原理铜电阻是利用物质在温度变化时本身电阻图5-1生变化的特性来测量温度的.铜电阻的受热局部感温元件是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上,当被测介质中有温度梯度存在时,所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度.5.2实验过程1 .方法：我们采用了用万用表直接测量法,改变温度,用万用表测出温度传感器电阻,并记录下来.实验的电路图：I12 .操作：将温度传感器直接插在温度传感器实

22、验装置的恒温炉中.在传感器的输出端用数字万用表直接测量其电阻值.本实验的热敏电阻NTC温度传感器25c的阻值5KQ;PTC温度传感器25c的阻值350Qo在不同的温度下,观察Pt100钳电阻、热敏电阻NTCPTQ和Cu50铜电阻的阻值的变化,从室温到120c注：PTC温度实验从室温到100C.,每隔5c或自定度数测一个数据,将测量数据逐一记录在表格内.3 .实验数据数据记录1Pt100钳电阻数据记录室温25C序号12345678910温度C25303540455055606570R/Q109.90111.80113.64115.58117.42119.33121.22123.13124.501

23、25.87序号11121314151617181920温度C7580859095100105110115120R/Q127.66129.80131.98133.84135.75137.50139.33141.24143.08144.97数据记录2NTC负温度系数热敏电阻数据记录室温25C序号12345678910温度C25303540455055606570R/Q4.9424.0763.4582.8552.4042.0091.7021.4401.2381.033序号11121314151617181920温度(C)7580859095100105110115120R/Q0.8870.7640.

24、6550.5610.4870.4230.3710.3230.2850.255数据记录3PTC正温度系数热敏电阻数据记录室温25C序号12345678910温度(C)25303540455055606570R/Q0.34310.34440.34880.35700.37020.38940.41690.45670.48780.5865序号11121314151617181920温度(C)7580859095100105110115120R/Q0.70260.88421.17881.80843.00407.847018.435数据记录4Cu50铜电阻数据记录室温25C序号12345678910温度(C

25、)25303540455055606570R/Q55.7556.7357.6358.6559.6060.6061.5762.5763.5664.63序号11121314151617181920温度(C)7580859095100105110115120R/Q65.6266.7667.7368.7269.7870.6771.7772.7773.8074.874 .结论5.2.4.1Pt100的R-T图分析：横轴为温度,纵轴为电阻值.当温度R/QT=100C时,R的理论值为138.51,而从实验数据记录表格中我们可以看到,R的实际值为137.50,可见直接用万用表直测存在一定误差.但并不影响总体上

26、的规律.由3式0<t<850CRt=R01+At+Bt2可知,电阻R是与温度T存在二次关系的,但同时注意到,式中二次项和一次项系数A和B,A=3.90802X10-3C"B=-5.802X10-7C2'可见A比B大四个数量级,所以一次项系数起注意影响,二次项系数就可以忽略.这就是为什么得出的RT图像似乎是直线.从图中我们得出大致斜率K=0.3652,与理论的电阻变化率0.3851/大致保持一致.此实验说明pt100钳电阻温度传感器在0<t<120C这个温度区间是与温度成线性关系的.钳电阻温度传感器精度高,稳定性好.误差分析：如上所述,在T=100C时,

27、R的理论值为138.51"R的实际值为137.50大致斜率K=0.3652,理论的电阻变化率0.3851Q/C.这两个误差是在试验中温度未必到达恒温,DH-SJ5恒温炉装置在到达设定温度前加热电流变小或者为0,但并不代表温度没有微小的变化,而要想温度一直恒定在某个值,那么需要很长时间和减少外界温度影响.加之数字万用表又是很精密的仪器,在微小的电阻变动都能发觉,所以造成误差.5.2.4.2.一一,1.1.一、分析：由8式lnRtB；lnA可知,lnRT与;成线性关系,在实验中测得各个温度T的RT值后,即可通过作图求出B和A值,彳弋入7式,即可得到Rt的表达式.式中Rt为在温度TK时的电

28、阻值,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.带如两组数据可以算出B=-128.91,A=0.1525.所以热敏电阻NTC的Rt-T图不成线性关系,且可以得知NTC为负温度系数热敏电阻.现在来讨论另一正温度系数热敏电阻PTC的温度特性.5.2.4.3R/Q分析：可见在80c以前Rt和T是呈线性变化的,且电阻变化很小,但一旦超过80C,R就随T的增大而剧增.可以得出结论,正温度系数热敏电阻PTC传感器温度范围小,有一定局限性.讨论了两种热敏电阻,下面看看普通金属电阻的问的特性.5.2.4.4分析：这是Cu50的R-T图.可以清楚的看到,图线是一条直线,所以R和T

29、是是呈线性关系的.这图比照热敏电阻的R-T图,可得到图5-3的图线,也可以了解两种电阻的温度特性的区别.5 .3热电偶温差电动势测量与研究1、热电偶测温原理热电偶亦称温差电偶,是由A、B两种不同材料的金属丝的端点彼此紧密接触而组成的.当两个接点处于不同温度时如图3-6,在回路中就有直流电动势产生,该电动势称温差电动势或热电动势.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,并且两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式：Ex-t-t01式中“称为温差电系数,对于不同金属组成的热电偶,a是不同作端图3-7的,其数值上等于两接点温度差为1C时所产生的电动势.t为工的温度,to

30、为冷端的温度.图3-6为了测量温差电动势,就需要在图3-6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-t0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,假设它与A、B的两连接点处于同一温度10图3-6,那么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t0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

31、图3-7所示.通常将冷端置于冰水混合物中,保持t0=0C,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to热电偶温度计的优点是热容量小,灵敏度高,反响迅速,测温范围广,还能直接把非电学量温度转换成电学量.因此,在自动测温、自动控温等系统中得到广泛应用.在本实验的热点偶为铜-康铜热点偶,属于T型热点偶.其测温范围270400C;优点有：热电动势的直线性好；低温特性良好；再现性好,精度高；但是+端的铜易氧化.2.实验过程按图3-7所示原理连接线路,将热电偶的冷端置于冰水混合物中之中,保证t0=0C.测温端直接插在恒温炉内.此过程是为了求出a0.然后开启温控

32、仪电源,给热端加温.每隔10c左右测一组t,Ex,直至100c为止.再做一次降温测量,即先升温至100C,然后每降低10c测一组t,Ex,再取升温降温测量数据的平均值作为最后测量值.1.热电偶定标数据记录室温t18.3CENt=0.07mVt.=0C序号12345678910温度t(C)30405060708090100电动势mV1.281.682.072.502.953.373.824.24序号11121314151617181920温度t(C)10090807060504030电动势(mV)4.163.733.302.872.452.011.581.162.作出热电偶定标Ext曲线热电偶定

33、标Ext曲线4AD.5030405060708090100温度分析：电动势随着温度的升高而增大,并且与温度呈线性关系.这样做出了定标曲线,热电偶便可以作为温度计使用了.5.3集成温度传感器1.实验原理集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路,它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值Vbe与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：KITVbeInIq式中,K波尔兹常数；q电子电荷绝对值.集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点,得到广泛应用.集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种.电压输出型的灵敏度一般10mV/K,温度0c时输出为0,温度

34、25c时输出2.982V.电流输出型的灵敏度一般为1uA/K.根本应用电路图5-11是AD590用于测量热力学温度的根本应用电路.由于流过AD590的电流与热力学温度成正比,当电阻R为1k时,输出电压V.随温度的变化为1mV/K.但由于AD590的增益有偏差,电阻也有误差,因此应对电路进行调整.调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中,调整电位器R,使V°=273.2mV.或在室温下(25C)条件下调整电位器,使V0=273.2+25=298.2(mV.但这样调整只可保证在0c或25c附近有较高精度.r+svj+eAD590u«Vout图5-11IKX序号12345678910温度(C)25303040455055606570V10.3010.3010.310.310.320.3210.330.3310.340.3411621526126618522072序号11121314151617181920温度(C)7580859095100105110115120V0.350.350.360.360.370.3710.380.380.390.3924722485359142914590数据记录1AD590数据记录室温25Cowno电压04000030000.20000.10000.0000.电I玉分析：电压随