温度传感器实验

实验二（2）温度传感器实验

实验时间 实验编号 无 同组同学 邓奡

一、实验目的

1、了解各种温度传感器（热电偶、铂热电阻、PN 结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器）的测温原理；

2、掌握热电偶的冷端补偿原理；

3、掌握热电偶的标定过程；

4、了解各种温度传感器的性能特点并比较上述几种传感器的性能。

二、实验原理

1、热电偶测温原理

由两根不同质的导体熔接而成的，其形成的闭合回路叫做热电回路，当两端处于不同温度时回路产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。

试验中使用两种热电偶：镍铬—镍硅（K 分度）、镍铬—铜镍（E 分度）。图所示为热电偶的工作原理，图中：T 为热端，0T 为冷端，热电势为

)()(0T E T E E AB AB t -=。

热电偶冷端温度不为0℃时（下式中的1T ），需对所测热电势进行修正，修正公式为：),(),(),(0110T T E T T E T T E +=,即：

实际电动势+测量所得电动势+温度修正电势

对热电偶进行标定时，以K 分度热电偶作为标准热电偶来校准E 分度热电偶。 2、铂热电阻

铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在C 650T C 0︒≤≤︒时，

)1(20BT AT R R T ++=,

式中：T R ——铂热电阻在T ℃时的电阻值

0R ——铂热电阻在0℃时的电阻值 A ——系数（=C ︒⨯/103.96847-31） B ——系数（=C ︒⨯/105.847--71）

3、PN 结温敏二极管

半导体PN 结具有良好的温度线性，PN 结特性表达公式为：

γln be e

kT

U =

∆， 式中，γ为与PN 结结构相关的常数；

k 为波尔兹曼常数，K J /1038.1k 23-⨯=； e 为电子电荷量，C 1910602.1e -⨯=； T 为被测物体的热力学温度（K ）。

当一个PN 结制成后，当其正向电流保持不变时，PN 结正向压降随温度的变化近似于线性，大约以2mV/℃的斜率随温度下降，利用PN 结的这一特性可以进行温度的测量。 4、热敏电阻

热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件，灵敏度高，可以测量小于℃的温差变化。

热敏电阻分为正温度系数热敏电阻PTC 、负温度系数热敏电阻NTC 和在某一特定温度下电阻值发生突然变化的临界温度电阻器CTR 。

实验中使用NTC ，热敏电阻的阻值与温度的关系近似符合指数规律，为：

)11(00

e

T T B t R R -=。式中：

T 为被测温度（K)，16.273t +=T

0T 为参考温度（K),16.27300+=t T

T R 为温度T 时热敏电阻的阻值 0R 为温度0T 时热敏电阻的阻值

B为热敏电阻的材料常数，由实验获得，一般为2000~6000K

5、集成温度传感器

用集成工艺制成的双端电流型温度传感器，在一定温度范围内按1uA/K 的恒定比值输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可知道温度值(K 氏温度），经K氏-摄氏转换电路直接得到摄氏温度值。

三、实验过程与结果

1、热电偶标定实验步骤如下：

2、铂热电阻测量实验步骤如下：

3、PN结温敏二极管测量实验步骤如下：

4、半导体热敏电阻测量实验步骤如下：

5、集成温度传感器测量实验步骤如下：

表1如下所示：

给定温度/℃405060708090100冷端温度/℃22222020212120 K型温度热电势/mV

冷端补偿电势/mV

实际电动势/mV

测量温度/℃41495966778798 E型温度热电势/mV

冷端补偿电势/mV

实际电动势/mV

误差/℃6454557测量温度/℃35455462728291铂热电阻输出电压/mV216270312 PN结温敏二极管输出电压/V

半导体热敏电阻输出电压/V

集成温度传感器输出电压/V

四、结果分析与实验结论

1、根据数据分别绘制K 型热电偶和E 型热电偶温度与热电势的关系曲线

2、将K 型热电偶作为标准热电偶，计算被测E 型热电偶的误差

5.147

7

554546=++++++=

平均误差

3、做出铂热电阻的电压-温度曲线，观察其工作线性范围

4、做出PN 结温敏二极管的电压-温度曲线，求出灵敏度t

∆∆=

V

S

0.004540

-1000.814

-1.084t ==∆∆=

V S 5、做出半导体热敏电阻的电压-温度曲线

6、做出集成温度传感器的电压-温度曲线

热电偶测温时，理论上任何两种不同的金属都可以配成热电偶，当选用不同的材料时，测温的范围、灵敏度、精度、线性度、重复性都会不同。一般情况下，热电偶测温的范围比较大，精度和线性度比较高，重复性和灵敏度也很好。

铂热电阻测温范围比较广，1200℃以下都可以，因为系数B先对于A很小可以被忽略，所以线性度重复性很好，因为有确定的测温公式，所以灵敏度和精度可以得到很好的保证。

PN结温敏二极管以PN结的温度特性为理论基础，具有很好的线性度，精度，重复性，测量范围可以达到很大。

半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化的性质而制成的温度敏感元件，测量范围相对较小，线性度和可重复性较差，但是灵敏度和精度很好。

集成温度传感器的最大优点在于小型化、使用方便、成本低廉，典型的测量范围-50℃~150℃,测量精度和灵敏度都很好，线性度在测温范围内很高，重复性也很好。

五、收获、体会与建议

通过做各种温度测量仪器的实验，一次性加深了对不同测温原理的理解，通过对比不同测温手段，可以清楚地看到它们之间彼此的优缺点。但是在做实验时，由于温度不好控制，往往做实验的实际温度并不是需要设定的数值，所以得到的结果和理想结果有一定的差别，但是在总体上不影响对实验结果的判断。