4-温度传感器的温度特性测量及应用

1. 恒电流法测量热电阻
电路如 图1 所示 电源采用恒流源
UR1
URt
R1为已知数值的固定电阻 Rt 为热电阻 UR1为 R1上的电压
R1
Rt
I0
用于监测电路的电流 Urt 为 Rt 上的电压
Rt
URt I0

R1U Rt U R1
当电路电流为 I0 , 温度为 t 时，热电阻Rt 为
2. 直流电桥法测量热电阻
3. Pt100铂电阻温度传感器
百度电阻比 W（100）=1.3850时，Ro为100Ω或 10Ω，称为 Pt100 铂电阻或 Pt10 铂电阻 铂电阻的阻值与温度之间的关系：
当温度 t 在 -200 ～ 0℃ 之间时 Rt = R0 [ 1 + At + Bt2 + C ( t - 100C ) t3 ]
物理实验设计与应用
（高中）
朱炯明
上海师范大学 数理信息学院
物理实验设计与应用
三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用 四 温度传感器的温度特性测量及应用 五 光敏传感器的光电特性测量及应用
温度传感器的温度特性测量及应用
目的要求 实验仪器 实验原理 实验内容 思考题 附录
10 MΩ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温
误
差
工作电压：
+4 —— +30V
测温范围：
-55 —— 150℃
热力学温度 T 每变化 1K，输出电流变化 1μA
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
I 3k ln 8 T eR
6. 电流型集成温度传感器（AD590）
直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如 图2 所示
直流平衡电桥
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” 在对角接点 A、C 之间连入直流电源 E 在对角接点 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”
直流平衡电桥
当温度 在 0 ～ 650℃ 之间时 Rt = R0 ( 1 + At + Bt2 )
Rt、R0 分别为铂电阻在温度 t、0℃ 时的电阻值 A~ 10-3, B~ 10-7, C~10-12 为 温度系数
3. Pt100铂电阻温度传感器
对于常用的工业铂电阻 在 0～100℃ 范围内 Rt 的表达式 可近似线性为
(1) 恒电流法
温度系数 A =
相关系数 r =
序号 t/℃
Rt/Ω
1
20
2
30
3
40
4
50
5
60
6
70
7
80
8
90
9
100
10 0
(1) 恒电流法
* 一般冬季可从 20～80℃，夏季可从 40～100℃， 0℃ 可 用 冰 点 来 测 量 * 如需节省时间，可每隔 5℃控温系统设置一次
(2) 直流电桥法
电压型集成温度传感器 LM35
数字电压表 实验插接线 等
实验原理
“温度”是一个重要的热学物理量 和我们的生活环境密切相关 对实验及生产的结果至关重要 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
类
传感器
型
铂电阻
作 lnRT — (1/T) 曲线，用直线拟合，由斜率可求出
常
数
B
5. 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 电流通过时，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℃），与温度成反比 线性良好，温度系数约为 -2.3mV/℃
热
铜电阻
电
镍电阻
阻
半导体热敏电阻
铂铑-铂 （S） 热 电 铂铑-铂铑（B） 偶 镍铬-镍硅（K）
镍铬-康铜（E） 铁-康铜 （J）
百度文库
其 它
PN 结温度传感器
IC 温度传感器
测温范围/℃
-200——650 -50——150 -60——180 -50——150
0——1300
0——1600 0——1000 -200——750 -40——600 -50——150
R3
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 复制性好，易工业化生产 电阻率较高 可用于工业检测中的精密测温和温度标准 缺点：价格昂贵，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℃
线性极好
6. 电流型集成温度传感器（AD590）
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
7. 电压型集成温度传感器（LM35）
输出为电压，且线性极好
6. 测量电流型集成温度传感器（AD590）的温度特性
7. 测量电压型集成温度传感器（LM35）的温度特性
实验仪器
FD-TTT-A 温度传感器温度特性实验仪 的组成：
高准确度控温恒温加热系统
恒流源
直流电桥
Pt100 铂电阻温度传感器
NTC1K 热敏电阻温度传感器
PN 结温度传感器
电流型集成温度传感器 AD590
(1) 恒电流法
按式（0）测试、计算 NTC1K 热敏电阻的阻值 到100℃止 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
(2) 直流电桥法
与 Pt100 铂电阻的测量相同 插上桥路电源（+2V） 将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 另一只待测量的 NTC1K 热敏电阻插入另一井 从室温起开始测量，然后开启加热器 每隔 10℃控温系统设置一次，控温稳定 2min 调整电阻箱 R3 使输出电压为零 按（1）式测量、计算得到 NTC1K 热敏电阻的阻值
CTC 型 ( 临 界 温 度 ) 以上三种热敏电阻特性曲线见 图 3
图3
4. 热敏电阻(NTC1K)温度传感器
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 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 B下( 1 1关) 系
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
UAB =UAD ,
UBC = UDC
电流 Ig =0, 流过电阻 R1、R3 的电流相等，I1 = I3
同理 I2 = IRt
又∵ 因此
I1R1 = I2R2
R1 R3

R2 Rt
IRtRt = I3R3
Rt

R1 R2
图
4
6. 电流型集成温度传感器（AD590）
输出电流大小与温度成正比，它的线性度极好
温度适用范围：
-55——150℃
灵敏度：
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
6. 电流型集成温度传感器（AD590）
AD590 等效于一个高阻抗的 恒流源，其输出阻抗 >
k = 1.38 1 10 –23 J/K 为 波 尔 兹 曼 常 数
T
为热力学温度
IS 为反向饱和电流
5. PN 结温度传感器
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
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
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
利用下式可计算出被测温度 t（℃）:
UO = KV * t = (10 mV/℃) * t
+
输出电压的温度系数 KV = 10.0 mV/℃
即
t(℃) =
电路符号见 图8， Vo为输出端
UO/10 LM35
mV
V0
-
实验内容
实验1 Pt100铂电阻温度特性的测量 实验2 NTC热敏电阻温度特性的测试 实验3 PN结温度传感器温度特性的测试 实验4 电流型集成温度传感器（AD590） 实验5 电压型集成温度传感器（LM35）
插上桥路电源（+2V） 将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 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 10℃控温系统设置一次，控温稳定 2min 调整电阻箱 R3 使输出电压为零，电桥平衡 按式（1）测量、计算待测 Pt100 铂电阻的阻值 用最小二乘法直线拟合，求出结果
Rt = R0 ( 1 + A1t ) A1 温度系数，近似为 3.85×10-³/℃
Pt100 铂电阻的阻值 0℃ 时 Rt =100 Ω 100℃ 时 Rt =138.5 Ω
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
电阻阻值随温度升高而减小，NTC型 (负温度系数) 电阻阻值随温度升高而增大，PTC型 (正温度系数)
-50——150
特点 准确度高、测量范围大
电阻率大、温度系数大、线性差、 一致性差 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
实验原理
1. 恒电流法测量热电阻 2. 直流电桥法测量热电阻 3. Pt100 铂电阻温度传感器 4. 热敏电阻 ( NTC1K ) 温度传感器 5. PN 结温度传感器 6. 电流型集成温度传感器（AD590） 7. 电压型集成温度传感器（LM35）
k 波尔兹曼常数 e 电子电量
I 3k ln 8 T eR
R 内部集成化电阻 将 k/e = 0.0862 mV/K，R = 538 Ω 代入得：
I
/
T
=
T = 0（K）时, 输出为 273.15 μA
1.000μA/K
6. 电流型集成温度传感器（AD590）
AD590 的输出电流 I0 的微安数就代表着被测温度的
2. NTC热敏电阻温度特性的测试
(1) 恒电流法 (2) 直流电桥法
(1) 恒电流法
与 Pt100 铂电阻的测试相同 插上恒流源，监测 R1上电流是否为 1mA ( 即 U1 = 1.00 V, R1 = 1.00 K ) 控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉的中心井 另一待测试的 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 10℃ 控温系统设置一次，控温稳定2min
RT R0e T T0 Rt、R0 是温度为 T(K), T0 (K) 时的电阻值 B 是热敏电阻材料常数，一般情况下 B为 2000～6000K
4. 热敏电阻(NTC1K)温度传感器
对一定的热敏电阻而言，B 为常数，对上式两边取
对数，则有
ln
RT

B( 1 T
1 ) ln T0
R0
可见，lnRT 与 1/T 成线性关系
5. PN 结温度传感器
测温精度较高 测温范围可达 -50——150℃ 缺点：一致性差，互换性差
5. PN 结温度传感器
通常 PN 结组成二极管的电流 I 和电压 U 满足
I IS [eqU / kT 1] 在常温条件下，且 eqU /kT 1 时， 可近似为
I I S eqU / kT q = 1.602 10 –19 C 为电子电量
热力学温度值（
K）
AD590的电流 - 温度（I - T）特性曲线 如 图6 所示
6. 电流型集成温度传感器（AD590）
其输出电流表达式为
I=At+B
A 为灵敏度
B
为
0℃ 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
-
在整个测温范围内, 准确度 ≤±0.5℃
273.15
目的要求
1. 学 习 用 恒 电 流 法 测 量 热 电 阻
2. 学 习 用 直 流 电 桥 法 测 量 热 电 阻
3. 测 量 铂 电 阻 温 度 传 感 器 (Pt100) 的 温 度 特 性
4. 测量热敏电阻（负温度系数）温度传感器
NTC1K
的
温
度
特
性
5. 测 量 PN 结 温 度 传 感 器 的 温 度 特 性
1. Pt100铂电阻温度特性的测量
(1) 恒电流法 (2) 直流电桥法
(1) 恒电流法
插上恒流源，监测 R1上电流是否为 1mA ( 即U1 = 1V，R1 = 1.00 K )
将控温传感器 Pt100 铂电阻插入干井炉中心井 另一只待测试的 Pt100 铂电阻插入另一井 从室温起开始测量，然后开启加热器 每隔 10℃ 控温系统设置一次，控温稳定 2 min 用式（0）测量、计算 Pt100 铂电阻的阻值 到100℃止 用最小二乘法直线拟合，求出结果