晶体管温度传感器及电子温度计

中国石油大学智能仪器实验报告成绩：凋极引藪+ |二議代硅保护层尸型哇班级： 姓名： 同组者： 教师:晶体管温度传感器及电子温度计【实验目的】1. 了解半导体晶体管的温度特性。2. 了解晶体管温度传感器的结构、工作原理及响应特性。3. 掌握晶体管温度传感器电压温度特性的测量方法。4. 了解电子温度计的电路结构和设计方法。【实验原理】1. 半导体二极管及其特性当用扩散的方法在P型半导体中掺入N型杂质或在N型半导体中掺入P型杂质时，扩散的结 果使得两种材料的交界处空穴与电子达到动态平衡并形成 PN 结。由于 PN 结具有单向导电性，因 此可用来制作半导体二极管、稳压管、可控硅及三极管；其中半导体二极管和稳压管由一个PN结 构成，半导体三极管和可控硅对35慵片阳极引垓沪两|氓阴概引践金属烛丝外瓷t阴极引憐u叭1图1-1二极管的结构及符号（&） 由两个PN结构成。二极管的结构及符号见图1-1,根据使用的半导体材料不同二极管分为锗（Ge） 型和硅（Si）型，根据结构划分为点接触型（图1-1（a）、面接触型（图1-1（b）和硅平面型二极管（图1-1（c）；其中点接触型二极管由于结面积小、结电容小而适用于高频工作，常用于高频检波和用作高速开关，面接触型和硅平面型二极管由于结面积大而适用于低频大电流整流。二极管在正向 电压作用下会使PN结变薄，从而形成正向电流，在反向电压作用下会使PN结变厚，无法形成反 向电流，这就是二极管的单向导电性，二极管的正向特性见图1-2。从图 1-2中可以看到，二极管的正向特性曲线呈非线性，根据半导体理论可以得出二极管的正向电流为：V VagI 二 I （e vt 1）（1-1）askT I正向电压为：V二V ln（ s ）（1-2）d g q I +1as式（1-1）、（1-2）中：V 禁带宽度/V ； V = kT/q ； gTk二1.381 x 10-23 J / K 波耳兹曼常数；q 二 1.602 x 10-19 Q单位电荷；I 二极管反向饱和电流（与温度有关） / A ； s由式（1-2）得，二极管的正向电压不但与电流有关，而且与环境温度有关，当二极管电流I 一定 d时，二极管的电压V与温度成一定关系，在温度不太高的情况下，V与环境温度成正比，dd即：V = V -0T（1-3）dg这里， 0是与二极管电流有关的系数，当二极管电流一定时， 0 为常数，因此0 被称之为二极管的 电压温度系数或测温灵敏度，可表示为：1-4)0二竺AT0表示环境温度变化1C所引起的二极管电压变化，单位为mV / C,通常在-40OC 150OC范围内，B 一2mV /C。利用二极管的电压温度特性可以制做成温度传感器，电子温度计和电子控温仪等测温与控 温设备，图 1-3 为用半导体 PN 结制成的铠装温度传感器示意图。1半导体PN结2引线3填充材料4金属外壳图 1-3 铠装半导体 PN 结温度传感器示意图2. 半导体电子温度计的组成与温度测量半导体电子温度计以半导体温度传感器作为传感器件，由测温传感器、恒流源、放大器、零 点调节、量程调节和显示仪表等组成。来自温度传感器的信号经过相应的信号处理后得到反映 被测温度的电压信号，通过经过标定的显示仪表显示出温度值，其测温精度可以达到土oc。 图 1-4 为半导体电子温度计的组成框图，图1-5 为电路原理图。图 1-4 半导体电子温度计组成框图图 1-5 中的半导体二极管 D 密封在薄铜管中作为温度传感器， T1、D1、R1、R2 组成恒流源为 温度传感器供电，电位器 RW1、RW2 起零点调节和量程调节作用，显示仪表为指针式或数字式电 压表，测温范围：0100C，测量精度可以达到土 0.5%。图 1-5 半导体电子温度计电路原理图3. 晶体管温度传感器的响应特性传感器的响应特性反映传感器对被测对象的反应速度，反应速度越快，说明传感器对被测量的 快速跟踪能力越强。由于每种传感器均存在响应惯性，对于铠装晶体管温度传感器来讲，其响应惯 性主要来源于金属外壳内填充材料的热传导能力或铠装体的热容量，填充材料的热传导能力强，则 热惯性小，传感器的热响应速度快，因此填充材料最好采用导热硅脂或导热硅胶。由于传感器的响 应特性符合指数规律，相当于在阶跃信号作用下惯性电路的输出特性，即：tV = KV （1 - e-T）（1-5）oi式（1-5）中，K 比例系数，V 阶跃输入信号或测量环境突变，T 时间常数（秒）当it =t时，输出能力达到最大能力的63%，当t = 4t时，输出能力达到最大能力的98%。因此， T 被看作是惯性系统响应能力的标志， T 越小，响应速度越快，见图1-6。图 1-6 传感器的响应特性【实验装置】晶体管电子温度计实验仪、电热杯、直流数字式电压表、秒表、标准温度计、数字温度计等。 【实验内容】1. 半导体二极管电压温度特性的测量直流数字电压表接晶体管电子温度计实验仪“PN+ ”和“PN-”输出口，打开电源开关，直流数 字电压表选择2V档。将铠装晶体管温度传感器与标准温度计捆绑在一起组成搅拌棒，在保温杯中 加入适量的冰块和少量的水，以冰为主，用搅拌棒充分搅拌成0C的冰水混和液，读取并记录oc 时直流数字电压表的读数一PN结电压，然后在玻璃杯中加入约100ml水，用注射器抽取适量冰水 注入玻璃杯中，调水温为1C （水温高于20C时，先调20C后调10C），将电压表读数V记 d 入表1-1，电热杯中加入约400ml水开始加热并不断用搅拌棒搅拌，使水中各部分温度均匀，同时 使铠装晶体管温度传感器热传导加快，水温每升高10C读取一下直流数字电压表读数V并记入表d1-1，一直到100C水沸腾为止，在直角坐标纸上绘出半导体二极管的结电压温度关系曲线。2. 晶体管电子温度计的标定测量将铠装晶体管温度传感器再放入0C的冰水混和液中，调整晶体管电子温度计实验仪上的“零 点”调节旋钮，使实验仪上的仪表指到零；然后将温度传感器放入100OC的开水中，调整实验仪上 的“满度”调节旋钮，使实验仪上的仪表指到100C。电热杯停止加热，将开水倒入另一烧杯中（电 热杯再装入约半杯以上的水继续加热，为下一内容做准备），烧杯放在平台上，使水自然降温，水 温每下降10OC读取一次实验仪上的仪表读数，降温过程可向烧杯中逐渐加入少许冷水，用搅拌棒 充分搅拌使水温均匀下降，一直到10OC为止，将数据记入表1-2，计算标定相对误差：|A5 =hmaX x 100%，其中A 为各标定点处实验仪上的仪表读数与标准温度计读数之差的最大100OCmax值。3. 晶体管温度传感器响应时间常数的测量将晶体管温度传感器先放入0C的冰水混和液中冷却，然后提出迅速放入100C的开水中，同 时用秒表计时，观察晶体管电子温度计实验仪的仪表读数。由式（1-5）可知，当实验仪的仪表分别 指到63C、86C、95C、98C时立即停止秒表计时，此时秒表指示值t即分别为1、2、3、4倍的 时间常数工，重复测量3次记入表1-3,取平均值后计算响应时间常数工和At,分析A产生的原 因和减小At的方法。参照图1-6画出晶体管的温度响应特性曲线。【数据记录及处理】表 1-1 半导体二极管电压温度特性的测量根据表 1-1 的数据，作出半导体二极管的结电压-温度关系曲线，如下图：由图中可以看出：当二极管电流一定时，在温度不太高的情况下，Vd与环境温度成正比，且:0=-1.8mV/C结电压温度关系曲线表 1-2 晶体管电子温度计的标定测量水温/ C0102030405060708090100指示值/ C010.419.630.140.350.460.169.778.787.5100误差A / C00.40.40.10.30.40.10.31.32.50标定误差52.5%实验时，温度由100C开始下降，加入冰水进行测量，这样做使得90C时的误差明显大于温度低时的误差。表 1-3 晶体管温度传感器响应时间常数的测量TC秒表指示值J s秒表指示值12 / s秒表指示值13/s平均值t / s时间常数T / S时间常数T /s6314.9715.5116.0115.5015.508627.6328.1929.5428.4514.2314.399541.5642.1943.7042.4814.169854.2954.6555.0254.6513.66由表 1-3作出晶体管的温度响应特性曲线，如下图：【思考题】1. 半导体三极管也是由PN结构成，请问用三极管能否制做成温度传感器？怎样设计？可以，使采用的三极管发射结温度特性尽可能一致，改为温度传感器时，利用其发射结作 为温度传感PN结，并将基极与集电极短接，这样可以改善发射结的恒流性。2. 如果晶体管温度传感器不用恒流源供电，而采用恒压串电阻为传感器供电，请问它的电压 温度特性是否为线性？为什么？ 是线性的，因为在同一工作电流的条件下，元件的电压值随温度呈线性变化，在工作温度 范围内温度-电压关系为一直线。3. 晶体管温度传感器响应时间常数的大小对晶体管电子温度计测温有何影响？分析减小时 间常数P的具体方法。随时间常数T的缓慢增加温度逐渐增加到趋于平衡，所以晶体温度传感器响应时间常数T 的大小对晶体管电子温度计测温的灵敏度有影响。减小时间常数T大方法：填充材料采用 导热硅胶使响应速度加快。【实验总结】晶体管电子温度计的标定测量时，要使烧杯中的水自然冷却，如果加入冰水，可能会使温度降低幅度增大，这样做会增大实验误差，本组实验时，刚开始没有控制好冰水的加入，使得90C的温 度数据误差比其余温度的误差大很多。【原始数据】!p“停40y 】1 hrM*W*Wl*哪146(0舛山7许呀咧0少：订a i-2册体柠电fam计的毎疋廉卫Z/o(ffii(tt/C0-30|I f|oA附隔0苗卜7 87、制0I仿疋“，RLJ i表i-3 i M昔月度传期s响应时河常敌的测吊WJnpz*：、(UljsY均値f 、Ir 5r/s呵7仅、列IUIJ , l 、 -2衿沁i?训LJ-mu