温度传感器的温度特性测量9

【目的要求】

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； 3、测量电压型、电流型和PN结温度传感器的温度特性；

【实验原理】

“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成的。常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见表1。本实验将通过测量几种常用的温度传感器的特征物理量随温度的变化，来了解这些温度传感器的工作原理．

表1常用的温度传感器的类型和特点

类型 热 电 阻 传感器 铂电阻 铜电阻 镍电阻 测温范围/℃ -200——650 -50——150 -60——180 电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差 准确度高、测量范围大 特点 半导体热敏电阻 -50——150 铂铑-铂 （S） 0——1300 热 电 偶 铂铑-铂铑（B） 0——1600 镍铬-镍硅（K） 0——1000 镍铬-康铜（E） -200——750 铁-康铜 （J） -40——600 其 它 PN结温度传感器 -50——150 IC温度传感器 -50——150 用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参考点（如冰点） 体积小、灵敏度高、线性好、一致性差 线性度好、一致性好 一、直流电桥法测量热电阻

直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如图1所示，

图1

把四个电阻R1,R2,R3,Rt连成一个四边形回路ABCD,每条边称作电桥的一个“桥臂”在四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两点的对角线形成一条“桥路”，它的作用是将桥路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，指示器示值为零，电桥达到平衡。指示器指零，有UAB=UAD,UBC=UDC,电桥平衡，电流Ig=0,流过电阻R1、R3的电流相等，即I1=I3,同理I2=IRt,因此

R1R2R3RtRtR1R2R3

若R1R2，则有：RtR3 二、恒电流法测量热电阻

（1）

恒电流法测量热电阻，电路如图2所示，

图2

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，当电路电流恒定时则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Io,温度为t时，热电阻Rt为

RtURtIOR1URtUR1 （2）

三、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，复制性好，易工业化生产，电阻率较高。因此铂电阻大多用于工业检测中的精密测温和温度标准。缺点是高质量的铂电阻（高级别）价格十分昂贵，温度系数偏小，受磁场影响较大。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：

23 （3） RtR01AtBtC(t100C)t

当温度在0～650℃之间时关系式为：

RtR0(1AtBt) （4）

2（3）、（4）式中Rt、R0分别为铂电阻在温度t、0℃时的电阻值，A,B,C为温度系数，对于常用的工业铂电阻：

A3.9080210372123/C,B5.8019510/C,C4.2735010/C

在0～100℃范围内Rt的表达式可近似线性为：

RtR0(1A1t) （5）

（5）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。 四、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

/Ω.cm 求不高的温度测量。以上三种热敏电阻特性曲线见图3。

温度/℃

图3

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：

B(1T1T0)RTR0e （6）

（6）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(1T1T0)lnR0 （7）

由（7）式可见，lnRT与1/T成线性关系，作lnRT—(1/T)曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数B。

五、电压型集成温度传感器（LM35）

LM35温度传感器，标准T0-92工业封装，其准确度一般为±0.5℃。（有几种级别）由

于其输出为电压，且线性极好，故只要配上电压源，数字式电压表就可以构成一个精密数字测温系统。内部的激光校准保证了极高的准确度及一致性，且无须校准。输出电压的温度系数KV=10.0mV/℃，利用下式可计算出被测温度t（℃）:

UO=KV*t=(10mV/℃)*t

即：

t(℃)= UO/10mV （8）

LM35温度传感器的电路符号见图4，Vo为输出端

图4

实验测量时只要直接测量其输出端电压Uo，即可知待测量的温度。 六、电流型集成温度传感器（AD590）

AD590是一种电流型集成电路温度传感器。其输出电流大小与温度成正比。它的线性度极好，AD590温度传感器的温度适用范围为-55——150℃，灵敏度为1μA/K。它具有高准确度、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点。AD590是一个二端器件，电路符号如图5所示：

图5

AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗>10MΩ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。

AD590的工作电压为+4——+30V，测温范围是-55——150℃。对应于热力学温度T，每变化1K，输出电流变化1μA。其输出电流I0(μA)与热力学温度T（K）严格成正比。其电流灵敏度表达式为：

IT3keRln8 （9）

式（9）中k、e分别为波尔兹曼常数和电子电量，R是内部集成化电阻。将

k/e=0.0862mV/K,R=538Ω代入（9）中得到：

IT=1.000uA/K （10）

在T=0（K）时其输出为273.15μA(AD590有几种级别，一般准确度差异在±3～5μA)。因此，AD590的输出电流Io的微安数就代表着被测温度的热力学温度值（K）。

AD590的电流-温度（I-T）特性曲线如图6所示：

图6

其输出电流表达式为：

I=AT+B (11)

式（11）中A为灵敏度，B为0K时输出电流

如需显示摄氏温标（℃）则要加温标转换电路，其关系式为：

t=T+273.15 (12)

AD590温度传感器其准确度在整个测温范围内≤±0.5℃，线性极好。利用AD590的上述特性，在最简单的应用中，用一个电源，一个电阻，一个数字式电压表即可用于温度的测量。由于AD590以热力学温度K定标，在摄氏温标应用中，应该进行℃的转换。实验测量电路如图7所示。

图7

七、PN结温度传感器

PN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，实验证明在一定的电流通过情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。通常将硅三极管b、c极短路，用b、e极之间的PN结作为温度传感器测量温度。硅三极管基极和发射极间正向导通电压Vbe一般约为600mV（25℃），且与温度成反比。线性良好，温度系数约为-2.3mV/℃,测温精度较高，测温范围可达-50——150℃。缺点是一致性差，互换性差。

通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足（13）式

qU/kT （13） IIS1e在常温条件下，且eqU/KT1时，（13）式可近似为 IISeqU/kT （14）

（13）、（14）式中:

q1.6021019;C为电子电量，k1.3811023J/K为玻尔兹曼常数

T为热力学温度；Is为反向饱和电流；

正向电流保持恒定条件下，PN结的正向电压U和温度t近似满足下列线性关系

U=Kt+Ugo （15）

（15）式中Ugo为半导体材料参数，K为PN结的结电压温度系数。 实验测量如图8。

图8

【实验内容】

一、用直流电桥法测量Pt100测量铂电阻的温度特性

插上桥路电源（+2V），将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉中心井，另一只待测试的Pt100铂电阻插入另一井，从室温起开始测试，然后开启加热器，每隔5℃控温系统设置一次，控温稳定2min后，调整电阻箱R3使输出电压为零，电桥平衡，则按式（1）测量、计算待测Pt100铂电阻的阻值（R1,R2用金属膜精密电阻,R3用精密电阻箱）。 序号 1 2 3 4 5 6

t（℃） Rx（Ω） Rt（Ω） 室温 30 35 30 35 40 45 50 将测量数据用最小二乘法直线拟合，求出结果。

二、用恒电流法测量NTC热敏电阻的温度特性

插上恒流源，监测R1上电流是否为1mA(即U1=1.00V,R1=1.00K)。将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉的中心井，另一只待测试的NTC1K热敏电阻温度传感器插入另一井，，从室温起开始测试，然后开启加热器，每隔5℃控温系统设置一次，控温稳定2min后按式（1）测试、计算NTC1K热敏电阻的阻值。 序号 t（℃） Rt（Ω） 1 室温 35 2 30 3 35 4 40 5 45 6 50 温度系数A= ，相关系数r=

将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，求出结果。

温度系数B= 相关系数r=

三、电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试

插接好电路，将控温传感器PT100铂电阻(A级)插入中心孔，开始从环境温度起测量，然后开启加热器，每隔10℃控温系统设置一次，控温后，恒定2min测试传感器LM35的输出电压。 序号 t（℃） U0（V） 1 室温 2 30 3 35 4 40 5 45 6 50 得到数据用最小二乘法进行拟合得:A= r=

四、电流型集成温度传感器（AD590）温度特性的测试（选作）

（1）按面板指示要求插好连接线，并将温度设置为 25℃（25℃位置进行P.I.D自适应调整，保证达25℃±0.1℃的控温精度）。将控温传感器Pt100铂电阻插入干井炉中心井，温度传感器AD590插入另一干井炉孔中，升温至25℃。温度恒定后测试1KΩ电阻（金属膜精密电阻）上的电压是否为298.15mV。（上述实验，环境温度必须低于25℃，AD590输出电流定标温度为25℃，输出电流为298.15μA。0℃时则为273.15μA）

（2）将干井炉温度设置从最低室温起测量，每隔10℃控温系统设置一次，每次待温度稳定2min后，测试1KΩ电阻上电压。 序号

1 2 3

4 5 6 t（℃） U（V） I（uA） 室温 30 35 40 45 50 I为从1.000KΩ电阻上测得电压换算所得（I=U/R，用最小二乘法进行直线拟合得：

A＝ uA/K r= 五、PN结温度传感器温度特性的测试（选作）

将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉中心井，PN结温度传感器插入干井炉一个井内。按要求插好连线。从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10℃控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压Ube的测量，得到结果如下表 序号 t（℃） Ube（V） 1 室温 2 30 3 35 4 40 5 45 6 50 用最小二乘法直线拟合，求出结果。A= r=