实验三温度传感器特性的研究 温度传感器是检测温度的器件,被广泛用于工农业生产、科学硏究和生活等领域,其 种类多,发展快.温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类.所谓接触式就是传感器 直接与被测物体接触进行温度测量,这是温度测量的基本形式.而非接触式是测量物体热 辐射而发出的红外线从而测量物体的温度,可进行遥测,这是接触方式所做不到的 接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等,利用其产生的热电动势或电阻 随温度变化的特性来测量物体的温度,被广泛用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工 业测量、通信设备等.另外,还有一些新开发研制的传感器,例如,有利用半导体PN结 电流/电压特性随温度变化的半导体集成传感器:有利用光纤传播特性随温度变化或半导体 透光随温度变化的光纤传感器;有利用弹性表面波及振子的振荡频率随温度变化的传感器 有利用核四重共振的振荡频率随温度变化的NQR传感器:有利用在居里温度附近磁性急剧 变化的磁性温度传感器以及利用液晶或涂料颜色随温度变化的传感器等 非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度,有利用半导体吸收光而 使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器.非接触传感器广泛用于接触 温度传感器、辐射温度计、报警装置、来客告知器、火灾报警器、自动门、气体分析仪、 分光光度计、资源探测等. 本实验将通过测量几种常用的接触式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 【实验目的】 1.了解几种常用的接触式温度传感器的原理及其应用范围 2.测量这些温度传感器的特征物理量随温度的变化曲线. 【实验原理】 铂电阻 导体的电阻值随温度变化而改变,通过测量其电阻值推算出被测环境的温度,利用此 原理构成的传感器就是热电阻温度传感器.能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下 特性:(1)电阻温度系数要尽可能大和稳定,电阻值与温度之间应具有良好的线性关系;(2) 电阻率高,热容量小,反应速度快;(3)材料的复现性和工艺性好,价格低;(4)在测量 范围内物理和化学性质稳定.目前,在工业中应用最广的材料是铂和铜. 铂电阻与温度之间的关系,在0~630.74℃范围内可用下式表示 R=Ro(+AT+BT2) 在-200~0°C的温度范围内为 R,=R(AT+BT2+C(T-100cr] (2)
实验三 温度传感器特性的研究 温度传感器是检测温度的器件，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，其 种类多，发展快．温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类．所谓接触式就是传感器 直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式．而非接触式是测量物体热 辐射而发出的红外线从而测量物体的温度，可进行遥测，这是接触方式所做不到的． 接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等，利用其产生的热电动势或电阻 随温度变化的特性来测量物体的温度，被广泛用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工 业测量、通信设备等．另外，还有一些新开发研制的传感器，例如，有利用半导体 PN 结 电流/电压特性随温度变化的半导体集成传感器；有利用光纤传播特性随温度变化或半导体 透光随温度变化的光纤传感器；有利用弹性表面波及振子的振荡频率随温度变化的传感器； 有利用核四重共振的振荡频率随温度变化的 NQR 传感器；有利用在居里温度附近磁性急剧 变化的磁性温度传感器以及利用液晶或涂料颜色随温度变化的传感器等． 非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度，有利用半导体吸收光而 使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器．非接触传感器广泛用于接触 温度传感器、辐射温度计、报警装置、来客告知器、火灾报警器、自动门、气体分析仪、 分光光度计、资源探测等． 本实验将通过测量几种常用的接触式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． 【实验目的】 1．了解几种常用的接触式温度传感器的原理及其应用范围； 2．测量这些温度传感器的特征物理量随温度的变化曲线． 【实验原理】 1．铂电阻 导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此 原理构成的传感器就是热电阻温度传感器．能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下 特性：（1）电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；（2） 电阻率高，热容量小，反应速度快；（3）材料的复现性和工艺性好，价格低；（4）在测量 范围内物理和化学性质稳定.目前，在工业中应用最广的材料是铂和铜. 铂电阻与温度之间的关系，在 0～630.74 ℃范围内可用下式表示 ( 2 0 T 1 ++= TBATRR ) （1） 在－200～0 o C的温度范围内为 [ ( ) ] 2 3 T 0 1 −+++= 100℃TTCBTATRR （2） - 16 -
式中,R0和R分别为在0°C和温度7时铂电阻的电阻值,A、B、C为温度系数,由实验确定, A=390802×10-3℃1,B=-580195×10-7%C2,C=-427350×1012-4.由式 (1)和式(2)可见,要确定电阻Rr与温度T的关系,首先要确定R的数值,R0值不同时, Rr与7的关系不同.目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻R值有1009和5009两种, 并将电阻值Rr与温度T的相应关系统一列成表格,称其为铂电阻的分度表,分度号分别用 Pt100和P500表示 铂电阻在常用的热电阻中准确度最高,国际温标IIS-90中还规定,将具有特殊构造的 铂电阻作为13.5033K~96178°标准温度计来使用.铂电阻广泛用于-200~850°范围内 的温度测量,工业中通常在600°C以下 2.半导体热敏电阻 热敏电阻是其电阻值随温度显著变化的一 ↑R(2) 种热敏元件.热敏电阻按其电阻随温度变化的 NTC 典型特性可分为三类,即负温度系数(NTC) CTR 热敏电阻,正温度系数(PIC)热敏电阻和临 界温度电阻器(CTR).PIC和CTR型热敏电10 阻在某些温度范围内,其电阻值会产生急剧变 PTC 化,适用于某些狭窄温度范围内一些特殊应 用,而NTC热敏电阻可用于较宽温度范围的 测量.热敏电阻的电阻-温度特性曲线如图 所示 NTC半导体热敏电阻是由一些金属氧化 20160200TCC) 物,如钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物 采用不同比例的配方,经高温烧结而成,然后图1热敏电阻的电阻-温度特性曲线 采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、 垫圈状等各种形状.与金属导体热电阻比较,半导体热敏电阻具有以下特点:(1)有很大 的负电阻温度系数,因此其温度测量的灵敏度也比较高:(2)体积小,目前最小的珠状热 电阻的尺寸可达φ0.2mm,故热容量很小,可作为点温或表面温度以及快速变化温度的 测量:(3)具有很大的电阻值(102~1059),因此可以忽略线路导线电阻和接触电阻等的 影响,特别适用于远距离的温度测量和控制;(4)制造工艺比较简单,价格便宜.半导体 热敏电阻的缺点是温度测量范围较窄 半导体热敏电阻具有负电阻温度系数,其电阻值随温度升高而减小,电阻与温度的关 系可以用下面的经验公式表示 B R Aexp (3) 式中,R为在温度为时的电阻值,T为绝对温度(以K为单位),A和B分别为具有电阻量纲 和温度量纲,并且与热敏电阻的材料和结构有关的常数.由式(3)可得到当温度为To时的 电阻值R0,即
式中，R0和RT分别为在 0 o C和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，由实验确定， A = 3.90802×10－３ o C－１ ，B = －5.80195×10－７ o C－２ ，C = －4.27350×10－１２o C－４．由式 （1）和式（2）可见，要确定电阻RT 与温度T的关系，首先要确定R0的数值，R0值不同时， RT 与T的关系不同．目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻R0值有 100Ω和 500Ω两种， 并将电阻值RT 与温度T的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用 Pt100 和Pt500 表示． 铂电阻在常用的热电阻中准确度最高，国际温标ITS－90 中还规定，将具有特殊构造的 铂电阻作为 13.5033 K～961.78 oC标准温度计来使用．铂电阻广泛用于－200～850 oC范围内 的温度测量，工业中通常在 600 oC以下． 2．半导体热敏电阻 热敏电阻是其电阻值随温度显著变化的一 种热敏元件．热敏电阻按其电阻随温度变化的 典型特性可分为三类，即负温度系数（NTC） 热敏电阻，正温度系数（PTC）热敏电阻和临 界温度电阻器（CTR）．PTC 和 CTR 型热敏电 阻在某些温度范围内，其电阻值会产生急剧变 化，适用于某些狭窄温度范围内一些特殊应 用，而 NTC 热敏电阻可用于较宽温度范围的 测量．热敏电阻的电阻－温度特性曲线如图 1 所示． NTC半导体热敏电阻是由一些金属氧化 物，如钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物， 采用不同比例的配方，经高温烧结而成，然后 采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆状、 垫圈状等各种形状．与金属导体热电阻比较，半导体热敏电阻具有以下特点：（1）有很大 的负电阻温度系数，因此其温度测量的灵敏度也比较高；（2）体积小，目前最小的珠状热 敏电阻的尺寸可达φ 0.2 mm，故热容量很小，可作为点温或表面温度以及快速变化温度的 测量；（3）具有很大的电阻值（102 ～105 Ω），因此可以忽略线路导线电阻和接触电阻等的 影响，特别适用于远距离的温度测量和控制；（4）制造工艺比较简单，价格便宜．半导体 热敏电阻的缺点是温度测量范围较窄． 图 1 热敏电阻的电阻－温度特性曲线 半导体热敏电阻具有负电阻温度系数，其电阻值随温度升高而减小，电阻与温度的关 系可以用下面的经验公式表示 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = T B T AR exp （3） 式中，RT为在温度为T时的电阻值，T为绝对温度（以K为单位），A和B分别为具有电阻量纲 和温度量纲，并且与热敏电阻的材料和结构有关的常数．由式（3）可得到当温度为T0时的 电阻值R0，即 - 17 -
B (4) 比较式(3)和式(4),可得 R,=Roexpl (5) 从式(5)可以看出,只要知道常数B和在温度为T时的电阻值R,就可以利用式(5)计算 在任意温度时的Rr值.常数B可以通过实验来确定.将式(5)两边取对数,则有 InR,=InR,+B1-1 (6) 从式(6)可以看出,InRr与1/成线性关系,直线的斜率就是常数B.热敏电阻的材料常数 B一般在2000~6000K范围内 热敏电阻的温度系数∝r定义如下 B R dT T2 (7) 由式(7)以看出,α是随温度降低而迅速增大.α决定热敏电阻在全部工作范围内的温度 敏度.热敏电阻的测温灵敏度比金属热电阻的高很多.例如,B值为4000K,当T=293.15 K(20°C)时,热敏电阻的ar=47%/℃C,约为铂电阻的12倍 3.PN结温度传感器 PN结温度传感器是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性,实现对温度 的检测、控制和补偿等功能.实验表明,在一定 的电流模式下,PN结的正向电压与温度之间具 2.0 有很好的线性关系 根据PN结理论,对于理想二极管,只要正 1.5 向电压UF大于几个kle(kB为波尔兹曼常数, e为电子电荷).其正向电流与正向电压U和10 度T之间的关系可表示为 B l00200300400 式中,Ug=Ege,E为材料在T=0K时的禁带宽 T(K) 度(以eV为单位),B和r为常数 由半导体理论可知,对于实际二极管,只要 图2砷化镓(a)和硅(b)二极管 向电压随温度的变化
⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = 0 0 exp T B AR （4） 比较式（3）和式（4），可得 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = − 0 0 11 exp TT T BRR （5） 从式（5）可以看出，只要知道常数B和在温度为T0时的电阻值R0，就可以利用式（5）计算 在任意温度T时的RT值．常数B可以通过实验来确定．将式（5）两边取对数，则有 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −+= 0 0 11 lnln TT T BRR （6） 从式（6）可以看出，lnRT 与 1/T成线性关系，直线的斜率就是常数B．热敏电阻的材料常数 B一般在 2000～6000 K范围内． 热敏电阻的温度系数α T定义如下 2 T d 1 d T B T R RT α T −=⋅= （7） 由式（7）以看出，αT是随温度降低而迅速增大．αT决定热敏电阻在全部工作范围内的温度 灵敏度．热敏电阻的测温灵敏度比金属热电阻的高很多．例如，B值为 4000 K，当T = 293.15 K（20 o C）时，热敏电阻的αT = 4.7%/ oC，约为铂电阻的 12 倍． 3．PN 结温度传感器 PN 结温度传感器是利用半导体材料和器件的某些性能参数的温度依赖性，实现对温度 的检测、控制和补偿等功能．实验表明，在一定 的电流模式下，PN 结的正向电压与温度之间具 有很好的线性关系． 图 2 砷化镓（a）和硅（b）二极管 正向电压随温度的变化 根据PN结理论，对于理想二极管，只要正 向电压UF大于几个 kBTB /e（kBB为波尔兹曼常数， e为电子电荷）．其正向电流IF与正向电压UF 和温 度T之间的关系可表示为 TT r B I q k UU ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ += +− ln 2 3ln B F gF （8） 式中，Ug = Eg/e，Eg为材料在T = 0 K时的禁带宽 度（以eV为单位），B和r为常数． 由半导体理论可知，对于实际二极管，只要 - 18 -
们工作的PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略,而又未发生大注入效应 的电压和温度范围内,其特性与上述理想二极管是相符合的.实验表明,对于砷化镓、锗 和硅二极管,在一个相当宽的温度范围内,其正向电压与温度之间的关系与式(8)是一致 的,如图2所示 实验发现晶体管发射结上的正向电压随温度的上升而近似线性下降,这种特性与二极 管十分相似,但晶体管表现岀比二极管更好的线性和互换性.二极管的温度特性只对扩散 电流成立,但实际二极管的正向电流除扩散电流成分外,还包括空间电荷区中的复合电流 和表面漏电流成分.这两种电流与温度的关系不同于扩散电流与温度的关系,因此,实际 极管的电压一温度特性是偏离理想情况的.由于三极管在发射结正向偏置条件下,虽然 发射结也包括上述三种电流成分,但是只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电 极电流,而另外两种电流成分则作为基极电流漏掉,并不到达集电极.因此,晶体管的lc U匪关系比二极管的l-L关系更符合理想情况,所以表现出更好的电压-温度线性关 系.根据晶体管的有关理论可以证明,NPN晶体管的基极-发射极电压Uε与温度T和集电 极电流lc的函数关系与二极管的l与7和函数关系式(8)相同.因此,在集电极电流恒 定条件下,晶体管的基极一发射极电压U与温度T呈线性关系.但严格地说,这种线性关 系是不完全的,因为关系式中存在非线性项 4.集成温度传感器 集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感 这种传感器最大的优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出.目前,集成温 度传感器已广泛用于一50~+150℃温度范围内的温度检测、控制和补偿等.集成温度传感 器按输出形式可分为电压型和电流型两种.三端电压输出型集成温度传感器是一种精密的、 易于定标的温度传感器,如LM135,LM235,LM335系列等.其主要性能指标如下:(1) 工作温度范围:-50~+150℃,-40~+125℃,-10~+100℃;(2)灵敏度:10mVK (3)测量误差:工作电流在04~5mA范围内变化时,如果在25℃下定标,在100℃的 温度范围内误差小于1℃.图3(a)示出这类温度传感器的基本测温电路.把传感器作为 一个两端器件与一个电阻串联,加上适当电压就可以得到灵敏度为10mV/K,直接正比于 Ucc (10mV/K) 金属壳 (10mv/k) 塑料壳 (a) (b) 图3测温电路(a)基本测温电路(b)可定标的测温电路
它们工作的 PN 结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略，而又未发生大注入效应 的电压和温度范围内，其特性与上述理想二极管是相符合的．实验表明，对于砷化镓、锗 和硅二极管，在一个相当宽的温度范围内，其正向电压与温度之间的关系与式（8）是一致 的，如图 2 所示． 实验发现晶体管发射结上的正向电压随温度的上升而近似线性下降，这种特性与二极 管十分相似，但晶体管表现出比二极管更好的线性和互换性．二极管的温度特性只对扩散 电流成立，但实际二极管的正向电流除扩散电流成分外，还包括空间电荷区中的复合电流 和表面漏电流成分．这两种电流与温度的关系不同于扩散电流与温度的关系，因此，实际 二极管的电压－温度特性是偏离理想情况的．由于三极管在发射结正向偏置条件下，虽然 发射结也包括上述三种电流成分，但是只有其中的扩散电流成分能够到达集电极形成集电 极电流，而另外两种电流成分则作为基极电流漏掉，并不到达集电极．因此，晶体管的IC－ UBE关系比二极管的 IF －UF关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压－温度线性关 系．根据晶体管的有关理论可以证明，NPN晶体管的基极－发射极电压UBE与温度T和集电 极电流IC的函数关系与二极管的UF与T和IF函数关系式（8）相同．因此，在集电极电流IC恒 定条件下，晶体管的基极－发射极电压UBE与温度T呈线性关系．但严格地说，这种线性关 系是不完全的，因为关系式中存在非线性项． 4．集成温度传感器 集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感 器．这种传感器最大的优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出．目前，集成温 度传感器已广泛用于－50～＋150℃温度范围内的温度检测、控制和补偿等．集成温度传感 器按输出形式可分为电压型和电流型两种．三端电压输出型集成温度传感器是一种精密的、 易于定标的温度传感器，如LM135，LM235，LM335 系列等．其主要性能指标如下：（1） 工作温度范围：－50～＋150℃，－40～＋125℃，－10～＋100 ℃；（2）灵敏度：10 mV/K； （3）测量误差：工作电流在 0.4～5 mA范围内变化时，如果在 25 ℃下定标，在 100 ℃的 温度范围内误差小于 1 ℃．图 3（a）示出这类温度传感器的基本测温电路．把传感器作为 一个两端器件与一个电阻串联，加上适当电压就可以得到灵敏度为 10 mV/K，直接正比于 R 10 k R UCC 金属壳 塑料壳 UCC (10 mV/K) UO (10 mV/K) UO （a） （b） 图 3 测温电路（a）基本测温电路（b）可定标的测温电路 - 19 -
绝对温度的输出电压Uo.实际上,这时可以看成是温度为10mVK的电压源.传感器的工 作电流由电阻R和电源电压Uc决定 ={a-U0)/R 由此式可见,工作电流随温度变化,但是对于LM135等系列传感器作为电压源时,其内阻 极小,故电流变化并不影响输出电压.如果这些系列的传感器作为三端器件使用时,可通 过外接电位器的调节完成温度定标,以减小工艺偏差而产生的误差,其连接如图3(b)所 示.例如,在25C(298.15K)下,调节电位器使输出电压为2982V,经如此定标后,传 感器的灵敏度达到设计值10mⅤ/K的要求,从而提高了测温精度. 电流型集成温度传感器,在一定温度下,它相当于一个恒流源,输出电流与绝对温度 成正比.因此,它具有不易受接触电阻和引线电阻的影响以及电压噪声的干扰.例如,美 国AD公司的产品AD590电流型集成温度传感器,只需 +5V 要单电源(+4~+30V),即可实现温度到电流的线 性变换,然后在终端使用一只取样电阻即可实现电流 到电压的转换,使用十分方便.而且,电流型比电压 AD590 型的测量精度更高.AD590的主要性能指标如下:(1) 电源电压:+4~+30V:(2)工作温度范围:-50 150℃;(3)标称输出电流(在25℃):298.2μA 1 mIK (4)标称温度系数:1μA/K:(5)测量误差:校准时 为±1.0℃,不校准时为±1.7℃.图4是AD590构成 的简单温度测量电路.每1K温度时,输出电流为1 uA,因此,每1K温度时负载R两端电压为1mV 图4AD590的简单温度测量电路 【实验仪器】 1.温度传感器:铂电阻(薄膜型Pt100),AD590集成温度传感器,半导体热敏电阻, 晶体管PN结温度传感器 2.温度控制系统:不锈钢保温杯、加热电阻和硅油,交流低压加热电源,数字铂电阻 温度计 3.测量仪表及电源:数字万用表,直流稳压电源(5V),直流恒流电源(1mA,100μA) 【实验内容】 1.铂电阻 测量室温~150℃温度范围内薄膜型铂电阻温度传感器的电阻随温度的变化曲线,并确 定其温度系数. 2.AD590集成温度传感器 测量室温~150℃温度范围内AD590集成温度传感器的输出电流随温度的变化曲线 并确定其温度系数 3.半导体热敏电阻
绝对温度的输出电压UO．实际上，这时可以看成是温度为 10 mV/K的电压源．传感器的工 作电流由电阻R和电源电压UCC决定： ( ) −= R/UUI CC O （9） 由此式可见，工作电流随温度变化，但是对于LM135 等系列传感器作为电压源时，其内阻 极小，故电流变化并不影响输出电压．如果这些系列的传感器作为三端器件使用时，可通 过外接电位器的调节完成温度定标，以减小工艺偏差而产生的误差，其连接如图 3（b）所 示．例如，在 25 oC（298.15 K）下，调节电位器使输出电压为 2.982 V，经如此定标后，传 感器的灵敏度达到设计值 10 mV/K的要求，从而提高了测温精度． 电流型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源，输出电流与绝对温度 成正比．因此，它具有不易受接触电阻和引线电阻的影响以及电压噪声的干扰．例如，美 国AD公司的产品AD590 电流型集成温度传感器，只需 要单电源（＋4～＋30 V），即可实现温度到电流的线 性变换，然后在终端使用一只取样电阻即可实现电流 到电压的转换，使用十分方便．而且，电流型比电压 型的测量精度更高．AD590 的主要性能指标如下：（1） 电源电压：＋4～＋30 V；（2）工作温度范围：－50～ ＋150℃；（3）标称输出电流（在 25℃）：298.2 μA； （4）标称温度系数：1 μA/K；（5）测量误差：校准时 为±1.0 ℃，不校准时为±1.7℃．图 4 是AD590 构成 的简单温度测量电路．每 1 K温度时，输出电流为 1 μA，因此，每 1 K温度时负载R两端电压为 1 mV． 图 4 AD590 的简单温度测量电路 【实验仪器】 1．温度传感器：铂电阻(薄膜型 Pt100)，AD590 集成温度传感器，半导体热敏电阻， 晶体管 PN 结温度传感器． 2．温度控制系统：不锈钢保温杯、加热电阻和硅油，交流低压加热电源，数字铂电阻 温度计． 3．测量仪表及电源：数字万用表，直流稳压电源（5 V），直流恒流电源（1 mA，100 μA）． 【实验内容】 1．铂电阻 测量室温～150℃温度范围内薄膜型铂电阻温度传感器的电阻随温度的变化曲线，并确 定其温度系数． 2．AD590 集成温度传感器 测量室温～150℃温度范围内 AD590 集成温度传感器的输出电流随温度的变化曲线， 并确定其温度系数． 3．半导体热敏电阻 - 20 -