热学综合实验

温度传感器温度特性研究与应用

摘要：测量PT100、PN结、LM35、负温度系数热敏电阻的温度特性并绘制温度特性曲线。同时利用LM35设计一个简易的温度测试和控制温度的电路。

关键词：温度特性，温度传感器，测温，控温。

引言：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，在科学及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果也是至关重要的，所以温度传感器的应用更是十分广泛的。

【实验原理】

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

−3

1．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

物理性质、化学性质都非常稳定，抗氧化能力强，复制性好，容易批量生产，而且电阻率 较高。因此铂电阻大多用于工业检测中的精密测温和作为温度标准。显著的缺点是高质量 的铂电阻价格十分昂贵，并且温度系数偏小，由于其对磁场的敏感性，所以会受电磁场的 干扰。按 IEC 标准，铂 电阻的测 温范围为 − 200°C ~ 650°C 。每百度 电阻 比

W(100) = 1.3850 ，当 R 0 = 100Ù 时，称为 Pt100 铂电阻， R 0 = 10Ù 时，称为 Pt10 铂

电阻。其允许的不确定度 A 级为：± (0.15°C + 0.002 t ) 。B 级为：± (0.3°C + 0.05 t ) 。

铂电阻的阻值与温度之间的关系,当温度 t = −200°C ~ 0°C 之间时，其关系式为：

23

0 1?(100)t R R At Bt C t C t ⎡⎤=+++-︒⎣⎦ （1）

当温度在t = 0 ~ 650°C 之间时关系式为：

2

0 1) (t R R At Bt =++（2）

（1）、（2）式中 R t , R 0 分别为铂电阻在温度 t °C, 0°C 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 (°C) −1

B = −5.80195 ×10−7 (°C) −1

C = −4.27350 ×10−12 (°C) −1

在 0°C ~ 100°C 范围内 R t 的表达式可近似线性为：

01( 1)t R R A t =+（3）

（3）式中 A 1 温度系数，近似为 3.85 ×10 R t = 100Ù ；而100°C 时 R t = 138.5Ù 。

(°C) −1 ，

Pt100 铂电阻的阻值， 其 0°C 时， 2.热敏电阻( NTC, PTC )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 1。 在一定的温度范围内（小于 450°C ）热敏电阻的电阻 R t 与温度 T 之间有如下关系：

1(1

0)T B T t R R e -=（4）

（4）式中

R 0 是温度为 T(K), T 0 (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

1()1

ln ln T RT B R T =⋅-+ (

5)

由（5）式可见， ln R T 与1/ T 成线性关系，作 ln R T ~ (1/ T) 曲线，用直线拟合，由 斜率可求出常数 B 。

3．电压型集成温度传感器（ LM35 ）：

LM35 温度传感器，标准 T 0 − 92 工业封装，其准确度

一般为 ± 0.5°C 。（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

K V = 10.0mV / °C ，利用下式可计算出被测温度 t(°C) ：

0•

1(0/)• V U K t mV C t ==︒ 即：

0/(0)1t C U mV ︒=

0/(0)1t C U mV ︒=

（6）

LM35 温度传感器的电路符号见图 2， V o 为输出端 实验测量时只要直接 测量其输出端电压 U o ，即可知待测量的温度。

4.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 V be 一般约为 600mV(25°C) ，且与温度成反比。线性良好， 温度系数约为 − 2.3mV / °C ,测温精度较高，测温范围可达 − 50°C ~ 150°C 。缺点是一致 性差，所以互换性差。通常PN 结组成二极管的电流I 和电压U 满足（11）式

5

(1)qu KT

S I I e

=⋅- （7）

在常温下，且1qu KT

e

?时，（11）式可近似表示成：

qu KT

S I I e

=⋅） （8）

（7）（8）式中：19

1.60210

q C -=⨯ ,231.381140/k J K -=⨯

当正向电流保持恒定骑骑情况下，PN 结的正向电压U 和温度t 近似满足下列线性关系：

0g U K T U =⋅= （9）

式中0g U 为半导体材料参数，K 为PN 结的结电压温度系数。

【实验内容】

1．用直流电桥法测量 Pt100 金属的电阻的温度特性：