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类型传感器测温范围(C)特点热 电 阻铂电阻 200 650准确度高、测量范围大铜电阻 50 150镍电阻 60 180半导体热敏电阻 50 150电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差热 电 偶铂铑-铂（S ）0 1300用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参考点（如冰点）铂铑-铂铑（ B ）0 1600镍铬-镍硅（ K ）0 1000镍铬-康铜（ E ） 20 750.铁-康铜（ J ） 40 600其PN 结温度传感器 50 150体积小、灵敏度高、线性好、一致性差IC 温度传感器 50 150线性度好、一致性好1Pt100 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 200C 650C 。每百度 电阻 比W(100) = 1.3850 ，当 R 0 = 100 时，称为 Pt100 铂电阻， R 0 = 10 时，称为 Pt10 铂电阻。其允许的不确定度 A 级为： (0.15C + 0.002t ) 。B 级为： (0.3C + 0.05t ) 。铂电阻的阻值与温度之间的关系,当温度 t = 200C 0C 之间时，其关系式为： （1）当温度在t = 0 650C之间时关系式为： （2）（1）、（2）式中 R t ,R 0 分别为铂电阻在温度 tC,0C 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 103 (C) 1B = 5.80195 107 (C) 1C = 4.27350 1012 (C) 1在 0C 100C 范围内 R t 的表达式可近似线性为：（3）3（3）式中 A1 温度系数，近似为 3.85 10R t = 100 ；而100C 时 R t = 138.5 。(C) 1， Pt100 铂电阻的阻值， 其 0C 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 450C ）热敏电阻的电阻 R t 与温度 T 之间有如下关系：（4）（4）式中R 0 是温度为 T(K), T0 (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 (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 T0 92 工业封装，其准确度 一般为 0.5C 。（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) ： 即： （6）LM35 温度传感器的电路符号见图 2， Vo 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 Vbe 一般约为 600mV(25C) ，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 50C 150C 。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 （7）在常温下，且时，（11）式可近似表示成：） （8）（7）（8）式中： , 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： （9）式中为半导体材料参数，为PN结的结电压温度系数。【实验内容】51用直流电桥法测量 Pt100 金属的电阻的温度特性：.按图 6 接线。在环境温度高于摄氏零度时，先把温度传感器放入致冷井中，利用半导 体致冷把温度降到 0C ，并以此温度作为起点进行测量，每隔10C 测量一次，直到需要 待测温度高于环境温度时，就把温度传感器转移到加热干井中，然后开启加热器，控温系统每隔10C 设置一次，待控温稳定 2 min 后，调节电阻箱 R 3 使输出电压为零，电桥平衡， 则按式（1）测量、计算待测 Pt100(Cu50) 铂电阻（铜电阻）的阻值， R 3 为五盘十进精 密电阻箱（用户自备），数据记入表中.表1 1Pt100 温度特性测试数据表格序号1234567891011t(C)0102030405060708090100R X ()R t ()将测量数据 R X () 用最小二乘法直线拟合，求出结果。2用恒电流法测量 NTC热敏电阻的温度特性：如图 7 所示，接通电 路后，先 监测 R 1 上电流是否为 1mA即测量 U R1 ，(U1 = 1.00V, R1 = 1.000k) 。在环境温度高于摄氏零度时，先把 PTC(orNTC) 热敏电 阻放入致冷井，操作方法同上。控温稳定 2 min 后按式（4）测试热敏电阻的阻值。数据记 入表 2 中： 表 2 NTC 热敏电阻温度特性测试数据表格序号1234567891011t(C)0102030405060708090100R t ()ln R T 与1/ T 成线性关系，作 ln R T (1/ T) 曲线，用直线拟合，由斜率可求出材料常数B和r3电压型集成温度传感器 (LM35) 温度特性的测试：按图 8 接线，操作方法同上，待温度恒定 2 min 测试传感器 (LM35) 的输出电压，数 据记入表 3 ：表 3 LM35 温度特性测试数据表格序号1234567891011t(C)0102030405060708090100U 0 (V)将表格中数据用最小二乘法进行拟合求出 A和 r。4 PN 结温度传感器温度特性的测试：注：实际的PN结传感器只有黄线和黑线，其中黄线接电压表正极按图10 接线，每隔10C 控温系统设置一次，待控温稳定 2 min 后，进行 PN 结正向 导通电压 U be 的测量，结果记入表 中。（用最小二乘法直线拟合，求出结果。【注意事项】温控仪温度稳定地达到设定值所需要的时间较长，一般需要10 15 min 左右，务必耐 心等待。【实验数据及数据处理结果】第一次实验结果1. PT100铂电阻温度传感器序号12345678910111213t）20253035404550556065707580 122.7124.6126.1128.6131.4132.9134.7136.9138.5139.6147.0148.4149.9122.7124.6126.1128.6131.4132.9134.7136.9138.5139.6147.0148.4149.9数据处理结果:温度系数A=0.4582，相关系数为0.98912. 用恒流法测量NTC热敏电阻的温度特性序号12345678910111213t）20253035404550556065707580 3050200025002050175014001190070930800690600510 8.00297.86337.82407.62567.46747.24427.08176.97546.83526.68466.53676.39696.2246数据处理结果：材料常数B=-0.03023 相关系数r=0.99803. 电压型集成温度传感器（LM35）温度特性曲线的测试序号12345678910111213t）20253035404550556065707580 206.0251.6344.0389.0392.2440.3485.4534.0584.0631.6678.9725.6773.4数据处理结果：A=9.9142 相关系数r=0.99634. PN结温度器温度特性的测试序号12345678910111213t/20253035404550556065707580 630.2620.2610.0598.7588.0577.1566.4556.0545.5535.0524.0515.1506.2数据处理结果：A=-2.1 相关系数r=0.9998第二次实验结果注：第二次测量时总结了第一次测量过程中存在的问题和不规范操作1.PT100铂电阻的温度特性序号12345678910111213t）20253035404550556065707580 130.2131.7133.5135.6137.6139.0141.7143.4144.6145.9148.8151.3153.4130.2131.7133.5135.6137.6139.0141.7143.4144.6145.9148.8151.3153.4数据处理结果：温度系数A=0.3821 相关系数为0.99802.恒流法测量NTC热敏电阻的温度特性序号12345678910111213t）20253035404550556065707580 35002900250021001800150013001100950800700600500 8.16057.97257.82407.64977.49537.31327.17017.00306.85866.68466.55116.39696.2416数据处理结果：材料常数B=-0.03201 相关系数r=0.99973.电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试序号12345678910111213t20253035404550556065707580 206.0251.6296.7344.8392.0439.3488.0535.8583.3630.0681.0728.9776.3数据处理结果：A=9.539 相关系数r=0.99994.PN结温度传感器的温度特性的测试序号12345678910111213t/20253035404550556065707580 629.6620.5610.0600.0590.8580.2569.9559.6548.8538.6527.7517.5507.0数据处理结果：A=-2.053 相关系数r=0.9998【实验结果分析】第一次实验时由于经验不足，在实验过程中存在着一些问题，如未等到加热或者制冷箱中的传感器没有温度设定值时就开始测量（这是由于没有耐心等待所致）。在测量NTC的温度特性时，由于操作失误没有在测量时监测电流，导致测量过程中电流可能带来变化从而对实验结果产生影响。在测量PN结时，发现实际的PN结只有黄线和黑线，经过简单的测试发现，黄线应该接电压表的正极。第二次实验时吸取了第一次实验的教训，避免了第一次实验时出现的问题，所以测量的结果误差较小。再用MATLAB处理后也能明显发现第二次实验数据更加接近理论情况。而且拟合得到的曲线的相关系数也较大。总体来说第二次试验比较成功。【设计实验】在这里用LM35设计了一个简易的测量温度和控制温度的集成电路。电路图如下：.