温度传感器

温度传感器温度特性测试与研究(FB810型恒温控制温度传感器实验仪)实验讲义杭州精科仪器有限公司1一、集成电路温度传感器的特性测量及应用随着科技的发展，各种新型的集成电路温度传感器器件不断涌现，并大批量生产和扩大应用。这类集成电路测温器件有以下几个优点：（1）温度变化引起输出量的变化呈现良好的线性关系；（2）不像热电偶那样需要参考点；（3）抗干扰能力强；（4）互换性好，使用简单方便。因此，这类传感器已在科学研究、工业和家用电器温度传感器等方面被广泛使用于温度的精确测量和控制。本实验要求测量电流型集成电路温度传感器的输出电流与温度的关系，熟悉该传感器的基本特性，并采用非平衡电桥法，组装成为一台C50~0数字式温度计。【实验原理】590AD集成电路温度传感器是由多个参数相同的三极管和电阻组成。该器件的两端当加有某一定直流工作电压时（一般工作电压可在V20~5.4范围内），它的输出电流与温度满足如下关系：AtBI式中，I为其输出电流，单位:A，t为摄氏温度，B为斜率,一般590AD的1)C(A1B,即如果该温度传感器的温度升高或降低C1，那传感器的输出电流增加或减少A1，A为摄氏零度时的电流值，其值恰好与冰点的热力学温度K273相对应。（对市售一般590AD，A278~273A略有差异。）利用590AD集成电路温度传感器的上述特性，可以制成各种用途的温度计。采用非平衡电桥线路，可以制作一台数字式摄氏温度计，即590AD器件在C0时，数字电压显示值为“0”，而当590AD器件处于Ct时，数字电压表显示值为“t”。【实验仪器】810FB型恒温控制温度传感器实验仪，如右图所示：大烧杯、加热器、冰瓶、各种温度传感器等。【实验内容】一．590AD的测试方法：1．590AD为两端式集成电路温度传感器，它的管脚引出端有两个，如图1所示：序号1接电源正端U（红色引线）。序号2接电源负端U(黑色引线)。至于序号3连接外壳，它可以接地，有时也可以不用。590AD工作电压V30~4，通常工2作电压V15~6，但不能小于V4，小于V4出现非线性。2.100PT数显式温度计等。二.590AD传感器温度特性测量及数字式温度计的设计：1.按图2接线（590AD的正负极不能接错）。测量590AD集成电路温度传感器的电流I与温度t的关系，取样电阻1000R。把实验数据用最小二乘法进行拟合，求斜率B、截距A和相关系数r。实验时应注意590AD温度传感器为二端铜线引出，为防止极间短路，两铜线不可直接放在水中，应用一端封闭的薄壁试管套保护，其中注入少量硅油，使之有良好热传递。（实验中如何保证590AD集成温度传感器与100PT数显温度计处在相同温度位置）2.制作量程为C50~0范围的数字温度计。把590AD三只电阻箱、直流稳压电源及数字电压表按图3接好。将590AD带试管放入冰瓶中（内装冰水混合物），取1000RR32，，调节4R使数字电压表示值为零。然后把590AD放入其他温度如室温的水中，用100PT温标准度计进行读数对比，求出百分差。3.令图3中电源电压发生变化，如从V8变为V10，观测一下，590AD传感器输出电流有无变化？分析其原因。三．590AD传感器的输出电流和工作电压关系测量：将590AD传感器处于恒定温度，将直流电源、590AD传感器、电阻箱、直流电压表等按图4接电路线。调节电源输出电压从V10~5.1，测量加在590AD传感器上的电压U与输出电流）)R/UI(IR的对应值，要求实验数据10点以上。用坐标纸做590AD传感器输出电流I与工作电压U的关系图，求出该温度传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压rU。3【实验数据及处理】1.测量590AD传感器输出电流I和温度t之间的关系。求t~I关系的经验公式。表1590AD传感器温度特性测量)C(t3738.54041.54344.546)V(UR0.3090.3120.3130.3150.3160.3180.319)A(I30.931.231.331.531.631.831.9表1数据用最小二乘法拟合：求斜率1)(____0.107__CAB；截距AA___011.27___；相关系数___991.0_r；所以，t,I关系为：011.27107.0tI。与灵敏度标准值1)C(A000.1B相比，求相对误差：%_____3.89_E。2．590AD传感器的输出电流和工作电压关系测量：表2590AD传感器伏安特性测量10000,4.45RCt)V(U1.4181.8062.6973.6944.6955.6956.6957.6928.6959.689)V(UR0.080.1920.30.30.30.30.3010.3010.3020.301)A(I8.019.230.030303030.130.130.230.1用坐标纸作590AD传感器输出电流I与工作电压U的关系曲线图，从图中求出该温度传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压rU。4从590AD传感器输出电流I与工作电压U的关系曲线图中，得到Ct4.45时，传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压VUr694.3。【思考题】1.电流型集成电路温度传感器有哪些特性？它比半导体热敏电阻、热电偶有哪些优点？应该是集成电路的控制较完善，相对可以做得更准确，反应速度也会更快，但相对电路的构成会复杂。2.如何用590AD集成电路温度传感器制作一个热力学温度计，请画出电路图，说明调节方法。集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55℃~±150℃之间的温度测量。温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时，其基极发射极电压与温度成线性关系，为克服温敏晶体管vb电压产生时的离散性，采用了特殊的差分电路。集成温度传感器具有电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定的温度T时相当于一个恒流源。因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有很好的线性特性。3.如果590AD集成电路温度传感器的灵敏度B不是严格的1)C(A000.1，而是略有差异，请写出解决问题的办法。AD590相当于是受温度控制的恒流源,R1越大,取得的电压就越高。一般是在R1上串一个多圈可调电阻5【实验范例1】1.测量590AD传感器输出电流I和温度t之间的关系。求t~I关系的经验公式。表3590AD传感器温度特性测量)C(t29.034.237.040.042.845.849.2)V(UR3.0363.0863.1123.1433.1683.1963.239)A(I303.6308.6311.2314.3316.8319.6323.9表3数据用最小二乘法拟合得：斜率1)C(A987.0B；截距A8.274A；相关系数999.0r所以，t,I关系为：275t987.0I与灵敏度标准值1)C(A000.1B相比百分误差为%3.1E。2.制作摄氏温度计：由于灵敏度1)C(A000.1B,所以2R值取略大于1000，本实验按以下公式加以修正：取9.1012987.0000.1BmV000.1RR32。将冰用刨冰机制成冰霜放入保温杯中压紧，并用玻璃管压1个小洞。将带玻璃试管传感器浸入冰霜中，把仪器接成图3电桥电路。调节4R，使C0t时，数字电压表输出mV0U。用自制摄氏温度计测室温水温为C7.28，而100PT数显温度计读数也为C7.28。3.测量590AD传感器的伏安特性：表2590AD传感器伏安特性测量10000R,C3t6测量次数12345678)V(U1.3261.5891.7362.0652.3422.4562.5332.680)V(UR0.2000.7771.1301.7952.3062.4952.6162.770)A(I20.077.7113.0179.5230.6249.5261.6277.0测量次数9101112131415)V(U2.7132.8803.0103.2523.4403.6434.100)V(UR2.7752.7602.7592.7592.7602.7602.760)A(I277.5276.0275.9275.9276.0276.0276.0从590AD传感器输出电流I与工作电压U的关系曲线图中，得到C3t时，传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压V70.2Ur。二、热敏电阻的温度特性测量热敏电阻通常是用半导体材料制成的，他的电阻随温度变化而急剧变化。热敏电阻分为负温度系数NTC热敏电阻和正温度系数PTC热敏电阻两种。NTC热敏电阻的体积很小，其阻值随温度变化比金属电阻要灵敏得多，因此，它被广泛用于温度测量、温度控制以及电路中的温度补偿、时间延迟等。PTC热敏电阻分为陶瓷PTC热敏电阻及有机材料PTC热敏电阻两类。PTC热敏电阻是20世纪80年代初发展起来的一种新型材料电阻7器，它的特点是存在一个“突变点温度”，当这种材料的温度超过突变点温度时，其阻值可急剧增加6~5个数量级，（例如由110急增到710以上），因而具有极其广泛的应用价值。近年来，我国在PTC热敏电阻器件开发与应用方面有了很大发展，陶瓷PTC热敏电阻由于其工作功率较大及耐高温性好，已被应用于工业机械、冰箱等作电流过载保护，并可替代镍铬电热丝作恒温加热器和控温电路，用于自热式电蚊香加热器、新型自动控温烘干机、各种电加热器等一系列安全可靠的家用电器；而有机材料PTC的热敏电阻具有动作时间短、体积小、阻值低等特点，现已被用于国内电话程控交换机、便携式电脑、手提式无绳电话等高科技领域作过载保护，应用范围很广。本实验用温度计和直流电桥测定热敏电阻器与温度的关系。要求掌握NTC热敏电阻器的阻值与温度的关系特性、并学会通过数据处理来求得经验公式的方法。【实验原理】1.负温度系数热敏电阻器的电阻-温度特性NTC热敏电阻通常由Cu,Fe,Co,Cr,Ni,Mg等金属氧化物中的3~2种均匀混合压制后，在C1500~600温度下烧结而成，由这类金属氧化物半导体制成的热敏电阻，具有很大的负温度系数。在一定的温度范围内，NTC热敏电阻的阻值与温度关系满足下列经验公式：)T1T1(B00eRR(1)式中，R为该热敏电阻在热力学温度T时的电阻值，0R为热敏电阻处于热力学温度0T时的阻值。B是材料常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的范围内，B可以看作为常数。由公式（1）可求得，NTC热敏电阻在热力学温度0T时的电阻温度系数20TT0TB)dTdR(R10（2）由公式(2)可知，NTC热敏电阻的电阻温度系数是与热力学温度的平方有关的量，在不同温度下，值是不相同的。对公式（1）两边取对数，得到00Rln)T1T1(BRln在一定温度范围内，Rln与0T1T1成线性关系,可以用作图法或最小二乘法求得斜8率B的值。并由公式（2）求得某一温度时NTC热敏电阻的电阻温度系数。2.正温度系数热敏电阻器的电阻-温度特性PTC热敏电阻具有独特的电阻-温度特性，这一性质是由于其微观结构决定的。当温度升高超过PTC热敏电阻突变点温度时，其材料结构发生了突变，它的电阻值有明显变化，可以从110变化到710，PTC热敏电阻的温度大于突变点温度时的阻值随温度变化符合如下经验公式：)TT(A00eRR(3)其中，T为样品的热力学温度，0T为初始温度，R为样品在温度T时的电阻值，0R为样品在温度0T时的电阻值，A的值在某一范围内近似为常数。对陶瓷PTC热敏电阻，在小于突变点温度时，电阻与温度关系满足公式（1），为负温度系数性质，在大于突变点温度时，满足（3）式，为正温度系数热敏电阻，此突变点温度常称为居里点。而对有机材料PTC热敏电阻，在突变点温度上下均为正温度系数性质，但是其常数A也在突变点发生了突变，即A值在温