温度传感器特性的研究

温度传感器特性的研究实验报告一实验目的1．学习用恒电流法和直流电桥法测量热电阻；2．测量铂电阻和热敏电阻温度传感器的温度特性。二实验仪器FD-TTT-A温度传感器特性实验仪一台，电阻箱R3三实验原理温度是一个重要的热学物理量，温度的变化对实验和生产结果至关重要，所以温度传感器应用广泛。温度传感器是利用一些金属，半导体等材料与温度相关的特性制备的。本实验通过测量几种常用的温度传感器的特性物理量随温度的变化来了解这些温度传感器的工作原理。一般把金属热电阻称为热电阻，把半导体热电阻称为热敏电阻。常用温度传感器的类型和作用类型传感器测温范围℃特点热电阻铂电阻-200~650准确度高，测量范围大铜电阻-50~150镍电阻-60~180半导体热敏电阻-50~150电阻率大，温度系数大，线性差，一致性差热电偶铂铑-铂0~1300用于高温测量，低温测量两大类，应用不方便（零点补偿）铂铑-铂铑0~1600镍铬-镍硅0~1000镍铬-康铜-200~750铁-康铜-40~600其他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1．直流电桥法测量热电阻直流平衡点桥（惠斯通电桥）的电路如图所示。把四个电阻R1，R2，R3，Rt连接成一个四边形回路ABCD，每条边称作电桥一个“桥臂”在边形的一组对角接点A，C之间连入直流电源E，在另一组对角接点B，D之间连入平衡指示仪表，B，D之间对角线形成一条“桥路”，它的作用是将桥路的两个端点电位进行比较，当B，D两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示仪示数为零，电桥达到平衡。此时有UAB=UAD，UBC=UDC，电桥平衡，电流Ig=0，流过电阻R1，R3电流相等，I1=I3，同理I2=IRt，因此R1/R2=R3/Rt如果R1=R2，则有Rt=R3(1)2．恒流法测量热电阻恒流法测量热电阻，电路如图所示电源采用恒流源，R1为已知数值的固定电阻，Rt为热电阻。UR1为R1上的电压，URt为Rt上的电压，UR1用于监测电路的电流，当电路电流恒定时只要测出热电阻两端电压URt，即可知道被测热电阻的阻值。当电路电流为I0，温度为t时，热电阻Rt为Rt=URt/I0=R1URt/UR1(2)3．Pt100铂电阻温度传感器Pt100铂电阻是一种利用铂金属导体电阻随温度变化的特性制成的温度传感器。铂的物理化学性能极稳定，抗氧化能力强，易复制性好，易工业化生产，电阻率较高。按IEC标准，铂电阻的测温范围为-200—650℃。百度电阻比W（100）=1.3850时Ro为100Ω或10Ω时。称为Pt100铂电阻或Pt10铂电阻。其允许的不确定度A级为：±（0.15℃+0.002|t|）。B级为：±（0.3℃+0.005|t|）。铂电阻的阻值与温度之间的关系,当温度t在-200～0℃之间时，其关系式为：Rt=R0（1+At+Bt2+C(t-100℃)t3）（3’）当温度在0～650℃之间时关系式为：Rt=R0(1+At+Bt2)(3”)Rt，R0分别为铂电阻在温度t，0℃时的电阻，A，B，C为温度系数。对工业常用铂电阻：A=3.90802*10-3/℃，B=-5.80195*10-7/℃，C=-4.27350*10-12/℃在0～100℃范围内，Rt的表达式可近似线性为：Rt=R0(1+A1t)（3）式中A1温度系数，近似为3.85×10ˉ³/℃，Pt100铂电阻的阻值，其0℃时Rt=100Ω；而100℃时Rt=138.5Ω。4．热敏电阻(NTC1K)温度传感器热敏电阻是利用半导体电阻阻值随温度变化的特性来测量温度的，按电阻阻值随温度升高而减小或增大，分为NTC型(负温度系数)、PTC型(正温度系数)和CTC（临界温度）。热敏电阻电阻率大，温度系数大，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。以上三种热敏电阻特性曲线见图在一定的温度范围内（小于450℃）热敏电阻的电阻Rt与温度T之间有如下关系：Rt=R0eB(1/T-1/T0)式中Rt、R0是温度为T(K),T0(K)时的电阻值(K为热力学温度单位开)；B是热敏电阻材料常数，一般情况下B为2000～6000K。对一定的热敏电阻而言，B为常数，对上式两边取对数，则有：lnRt=B(1/T-1/T0)+lnR0(4)由上式可见lnRt与1/T成线性关系，作图lnRt对1/T曲线，用直线拟合，由斜率得到常数B。四实验步骤测量Pt100铂电阻的温度特性1．恒电流法插上横流电源，监测R1上电流是否为1mA（即U1=1V，R1=1.00K）。将控温传感器Pt100铂电阻(A级)插入干井炉的中心井，另一只待测Pt100铂电阻插入另一个井，从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10℃控温系统设置一次，控温稳定2分钟后用式（2）计算Pt100铂电阻阻值。用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数A=相关系数R=序号t(℃)电压（V）计算电阻（Ω）URt/I0（I0=1mA）1300.1108110.82400.1146114.63500.1183118.34600.1222122.25700.1260126.06800.1300130.07900.1342134.281000.1377137.72．直流电桥法测量热电阻插上桥电源（2V），将控温传感器Pt100铂电阻(A级)插入干井炉的中心井，另一只待测Pt100铂电阻插入另一个井，从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10℃控温系统设置一次，控温稳定2分钟后，调整电阻箱R3使输出电压为零，电桥平衡，用式（1）计算Pt100铂电阻阻值。用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数A=相关系数R=序号t(℃)R3（Ω）Rt电阻（Ω）130112.4112.4240114.7114.7350119.7119.7460123.7123.7570127.8127.8680131.3131.3790134.8134.88100138.9138.9测量NTC1K热敏电阻的温度特性1.恒电流法与Pt100铂电阻的测试相同，插上横流电源，监测R1上电流是否为1mA（即U1=1V，R1=1.00K）。将控温传感器Pt100铂电阻(A级)插入干井炉的中心井，另一只待测NTC1K热敏电阻温度传感器插入另一个井，从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10℃控温系统设置一次，控温稳定2分钟后用式（2）计算NTC1K电阻阻值。用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数B=相关系数R=序号t(℃)电压（V）计算电阻（Ω）URt/I0（I0=1mA）1300.8728872.82400.5878587.83500.4095409.54600.2801280.15700.1958195.86800.1451145.17900.1084108.481000.076276.22.直流电桥法测量热电阻与Pt100铂电阻的测试相同，插上桥电源（2V），将控温传感器Pt100铂电阻(A级)插入干井炉的中心井，另一只待测NTC1K热敏电阻温度传感器插入另一个井，从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10℃控温系统设置一次，控温稳定2分钟后用式（1）计算NTC1K电阻阻值。用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数B=相关系数R=序号t(℃)R3（Ω）Rt电阻（Ω）130854.4854.4240574.7574.7350406.8406.8460271.7271.7570196.4196.4680145.9145.9790109.4109.4810080.780.7五实验数据及处理测量Pt100铂电阻的温度特性1.恒流法根据公式（3）作图Rt=R0(1+A1t)，020406080100120140020406080100120Pt100温度特性y=0.3871x+99.061R^2=0.9997t(温度）电阻系列1线性(系列1)温度系数A1=3.91×10ˉ³/℃相关系数R=0.9997斜率为R0A1=0.3871Ω/℃，R0为截距=99.061，求出温度系数A1=3.91×10ˉ³/℃（理论上其0℃时Rt=100Ω，相当于为这里实验数据的截距；而100℃时Rt=138.5Ω。）2.直流电桥法测量热电阻根据公式（3）作图Rt=R0(1+A1t)050100150020406080100120Pt100温度特性y=0.3868x+100.27R^2=0.9973t温度电阻系列1线性(系列1)温度系数A1=3.86×10ˉ³/℃相关系数R=0.9997斜率为R0A1=0.3868Ω/℃，R0为截距=100.27，求出温度系数A1=3.86×10ˉ³/℃（理论上其0℃时Rt=100Ω，相当于为这里实验数据的截距；而100℃时Rt=138.5Ω。）测量NTC1K热敏电阻的温度特性1.恒电流法根据公式（4）lnRt=B(1/T-1/T0)+lnR0，由上式lnRt与1/T成线性关系，作图lnRt对1/T曲线，用直线拟合，由斜率得到常数B。1/tRlnR1/30872.86.77171/40587.86.37641/50409.56.01491/60280.15.63511/70195.85.27711/80145.14.97741/90108.44.68581/10076.24.3334012345670.000000.000500.001000.001500.002000.002500.003000.00350NTC温度特性y=3907.4x-6.1049R^2=0.99931/T（开尔文）lnR系列1线性(系列1)温度系数B=3907.4K相关系数R=0.99932.直流电桥法测量热电阻根据公式（4）lnRt=B(1/T-1/T0)+lnR0，由上式lnRt与1/T成线性关系，作图lnRt对1/T曲线，用直线拟合，由斜率得到常数B。1/tRlnR0.00330854.46.75040.00319574.76.35380.00310406.86.00830.00300271.75.60470.00292196.45.28020.00283145.94.98290.00275109.44.6950.0026880.74.3907012345670.000000.000500.001000.001500.002000.002500.003000.00350NTC温度特性y=3805.6x-5.8032R^2=0.99961/t开尔文lnR系列1线性(系列1)温度系数B=3805.6K相关系数R=0.9996六实验思考1.数据讨论与思考测量Pt100铂电阻的温度特性按照标准截距应该是100Ω理论值，下图是按理论值作的线性拟合。020406080100120140020406080100120Pt100温度特性y=0.3743x+100.000R^2=0.9985t(温度）电阻系列1线性(系列1)理论上其0℃时Rt=100Ω，相当于为这里实验数据的截距；而100℃时Rt=138.5Ω。实际上实验得到的数据采用两种方法截距分别为99.061Ω和100.27Ω，并且相关系数很好。恒电流法结果与直流电桥法结果都很吻合，恒电流法的A1=3.91×10ˉ³/℃，电桥法温度系数A1=3.86×10ˉ³/℃，相比而言电桥法得到的数据与标准值A1=3.85×10ˉ³/℃非常接近。电桥法测量的数据非常可靠。测量NTC1K热敏电阻的温度特性在做这个实验数据处理时，费了很大周折，发现数据图始终不好，以下是在处理数据中的一个案例，体会很深刻。在处理数据时，数据线性不好，而且从我查到的原理上发现数据与理论上的标准值误差极大，因此我的处理的数据是错误的。但也不太敢肯定我错在哪里。因为数据没有问题，都是实验收集到的数据，而且处理方式看起来也没有问题。后来想着把数据改动一下，使得数据线性度更好，这样表面看数据图也很线性，也有说服力。但始终得出的数据不好。而且我还想如果不改动数据，那就把几组比较差的数据丢掉，因为想当然以为它们是不可靠的测试数据（其实并不