温度传感器的特性研究本科毕业论文.doc

目 录引言11 温度传感器的类型12 温度传感器的特性测量22.1 实验仪器简介22.2 PN结温度传感器的温度特性测量22.3 电压型集成温度传感器（LM35）输出电压与温度特性的测量42.4 负温度系数热敏电阻（NTC 1K）温度传感器温度特性的测量63 不同温度传感器的数字温度计的设计83.1 PN结数字温度计的设计83.2 LM35数字温度计的设计93.3 NTC 1k数字温度计的设计103.4不同温度传感器的温度计评估104 温度传感器的应用及发展前景114.1 温度传感器的应用114.2 温度传感器的发展前景11结束语12参考文献12英文摘要12致谢13忻州师范学院物理系本科毕业论文（设计） 温度传感器的特性研究 摘要：温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，通过检测物理量而可知其温度的器件。本文从实验角度研究PN结、LM35、NTC 1K温度传感器的温度特性。在此基础上对其定标并设计数字温度计，与传统温度计进行测温比较，显示出PN结、LM35、NTC 1K数字温度计在测温方面具有精度高，反应快，读数简单等优越性。最后探讨了数字温度计的应用领域和发展前景。关键词：温度传感器；PN结；数字温度计引言 温度是表征物体冷热程度的物理量，是一个与人们生活环境密切相关的物理量, 也是一种在生产、科研、生活中需要测量和控制的重要物理量,是国际单位制七个基本量之一。传统温度计在测量的过程中，往往有一定的限制性，不容易测量，而且很容易产生误差，测量结果不准确。最早的温度传感器大约是380年前伽利略制成的气体膨胀式温度计，伴随着材料和加工技术的发展,温度传感器逐渐发展成目前应用最广泛的一种传感器。温度传感器的出现，给温度的测量带来一定的便利性和可操作性，尤其是数字温度计的出现，它克服了传统温度计的一系列缺点，因此被广泛应用于工农业生产、科学研究和生活等领域。因为温度传感器还有发展的空间，所以研究本课题具有重要的意义。1 温度传感器的类型 温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。 表1.1 常用的温度传感器类型与应用 类 型 传 感 器测温范围/ 特 点 热 电 阻铂电阻-200650准确度高铜电阻-50150测量范围大半导体热敏电阻-50150电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差 热 电 偶铂铑-铂(s)01300用于高温测量、低温测量两大类，应用不方便（零点补偿）铂铑-铂铑01600镍-镍硅01000镍铬-康铜-200750铁康铜-40600 其 它PN结-50150体积小、灵敏度高、线性好、一致性差IC温度传感器-50150线性度好，一致性好2 温度传感器的特性测量2.1 实验仪器简介 FD-BHM-B温度传感器特性及人体温度测量试验仪是用于测量PN结温度传感器、LM35温度传感器、NTC 1K 温度传感器的温度特性。FD-BHM-B温度传感器特性及人体温度测量试验仪通电后除了测量仪表、放大器及实验电源外，实验电路要插上仪器提供的直流稳压电源（+5v)后才能工作。加热前先调好控温仪，按面板电路图指示插好实验电路，将控温传感器（Pt100）插入干井式恒温加热炉的一个井孔，待测传感器插入另一井孔就能进行实验。为节省时间可同时进行多种传感器的实验，只要把数字电压表分别测量待测传感器输出即可。图2.1 FD-BHM-B实物图2.2 PN结温度传感器的温度特性测量2.2.1 PN结温度传感器的测温原理 PN结温度传感器是利用半导体PN结的正向结电压对温度依赖性实现对温度检测的，实验证明在一定电流通过的情况下，PN结的正向电压与温度之间有较好的线性关系。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一般约600mV（25），且与温度成反比。线性良好，温度系数约为-2.3mV/，测量精度高，测温范围可达-50150。 通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足2.1式 (2.1) 在常温条件下，且U0.1V时，2.1式可近似为： (2.2) 2.2式中；玻尔兹曼常数；T为热力学温度；Is为反向饱和电流。正向电流保持恒定且电流较小条件下，PN结的正向电压U和热力学温度T近似满足下列线性关系 (2.3) （2.3式中为半导体材料在T=0K时的禁带宽度，B为PN结的结电压温度系数。）R+5v10K90131KR2.2图2.2 PN结原理图实验测量如图2.2。图用+5v恒压源使流过PN结的电流约为400（25）。测量是用、两端，作传感器应用时从输出。2.2.2 实验内容将控温传感器Pt100铂电阻插入干井式恒温加热炉中心井，PN结温度传感器插入干井式恒温加热炉另一个井内。按要求连接线路。从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10.0控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压的测量。2.2.3 实验数据及处理 表2.1 PN结电压与温度的关系 1 2 3T/T/T/26.20.59123.70.59723.50.59830.00.58330.00.58430.00.57740.00.56140.00.56140.00.55850.00.53850.00.53750.00.53560.00.51460.00.51460.00.51170.00.48770.00.48970.00.48980.00.46880.00.46780.00.456 图2.3 PN结正向导通电压与温度的关系 从图2.3可以看出PN结的导通电压与T呈线性关系,利用最小二乘法计算U-T的拟合线段方程y=a+bx,得：a=0.65351，b=-0.00233。U-T线段的方程为U=0.65351-0.00233T，即按照电压计算时的灵敏度为-2.33mV/。 PN结的灵敏度是-2.30 /，所以，灵敏度误差 实验证明在一定电流通过的情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。2.3 电压型集成温度传感器(LM35)输出电压与温度特性的测量2.3.1 LM35温度传感器的测温原理 LM35温度传感器，标准T0-92工业封装，因为其输出的是与温度对应的电压(10.00mV/)，且线性极好，只要配上电压源，数字电压表就可以够成一个精密数字测温系统。输出电压的温度系数K=10.00mV/,利用2.4式可计算出被测温度t(): (2.4) 即 (2.5)LM352.4+-图2.4 LM35电路符号LM35温度传感器电路符号见图2.4，为输出端。实验测量时只要直接测量输出端电压，即知待测的温度。2.3.2 实验内容将控温传感器Pt100铂电阻插入干井式恒温加热炉中心孔，开始从室温测量，然后开启加热器，每隔10.0控温系统设置一次，控温后恒定2min测传感器LM35的输出电压。2.3.3 实验数据 表2.2 集成温度传感器LM35输出电压与温度的关系 1 2 3T/T/T/26.20.25923.70.23123.50.27730.00.29430.00.29130.00.31140.00.39240.00.39140.00.40350.00.49850.00.49550.00.50260.00.60360.00.60060.00.60970.00.72070.00.70770.00.71080.00.80980.00.80680.00.848 图2.5 LM35输出电压与温度关系 从图2.5可以看出LM35的与T呈线性关系，利用最小二乘法计算U-T的拟合线段方程y=a+bx，得：a=-0.01704，b=0.01029。U-T线段的方程为U=-0.01704+0.01029T，即按照电压计算时的灵敏度为10.29mV/。 LM35的灵敏度是10.00mV/，所以，灵敏度误差 实验证明在一定电流通过的情况下，LM35的输出电压与温度之间有良好的线性关系。+5v10KR1KNTC 1K图2.6 NTC 1K电路图2.4 负温度系数热敏电阻（NTC 1K）温度传感器温度特性的测量2.4.1 NTC 1K温度传感器的测温原理恒压源电流法测量热电阻，电路如图2.6所示，电源采用恒压源，R1为已知数值的固定电阻，Rt为热电阻。为R1上的电压，为Rt上的电压，Ur1用于监测电路的电流。当电压、温度恒定时则 一定，电流Io则为Ur1/R1。测出热电阻两端电压，即可知被测热电阻的阻值。当电路电流为Io，温度为T时，热电阻Rt为： (2.6) 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，按电阻阻值随温度升高而减小或增大，分成NTC型（负温度系数热敏电阻）、PTC型（正温度系数热敏电阻）和CTC（临界温度热敏电阻）。NTC型热敏电阻阻值和温度呈指数下降关系，但也可找出热敏电阻某一较小的、线性较好范围加以运用（如35-42）。在一定的温度范围内（小于150）NTC热敏电阻的电阻Rt与温度T之间有如下关系： (2.7)2.7式中、是温度为T，To时的电阻值（T为热力学温度，单位为K）；B是热敏电阻材料常数，一般情况下B为2000-6000K。对2.5式两边取对数，则有： (2.8) 由2.8式可见，与1/T成线性关系，作直线图，用直线拟合，由斜率即可求出常数B。2.4.2 实验内容 用恒压源法测热敏电阻的方法见图2.7。在一定的温度时（温度不变）检测1电阻上的电压即可知道流过Rt的电流，即：+5v10KR1KNTC 1K图2.7图2.7 NTC 1K实验电路 (2.9) 则测量热敏电阻上的电压即可知道它的阻值（）。每改变一次温度都要重新测量流过Rt的电流（Rt的阻值已经变化了）。将控温传感器Pt100铂电阻插入干井式恒温加热炉的中心井，待测的NTC 1K热敏电阻插入干井恒温加热炉另一井，从室温起开始测量，然后开启加热器，每隔10.0控温系统设置一次，稳定2min后，用式2.7测量、计算热敏电阻的阻值，到80.0止。将测量结果用最小二乘法直线拟合，求出结果。2.4.3 实验数据 表2.3 热敏电阻阻值与温度关系/T/k/v/v/ln26.1299.250.4070.4281051.63.3426.95830.0303.150.4130.375908.03.2996.81140.0313.150.4220.265627.93.1936.44250.0323.150.4300.183425.63.0956.05360.0333.150.4340.129297.23.0025.69470.0343.150.4380.087198.62.9145.29180.0353.150.4390.068154.92.8325.043 图2.8 与1/T的关系 从图2.8可以看出NTC 1K的ln与1/T呈线性关系，利用最小二乘法计算ln-1/T的拟合线段方程y=a+bx，得：a=-6, b=3830.U-T线段的方程为U=-6+3830T，即热敏电阻材料常数为3830 K。一般情况下B为2000K-6000K。实验所得在这个区间。实验证明在一定电流通过的情况下，NTC 1K热敏电阻阻值与温度呈指数下降关系。3 不同温度传感器数字温度计的设计3.1 PN结数字温度计的设计 将作为信号通过放大电路放大为10/的电压输出，并将输出电压与标准温度进行对比校准，即可制成数字温度计。测量数字温度计的线性度（从35.0-42.0），每隔0.5测量一次，到42.0止。 表3.1 PN结制作数字温度计标准温度示值比较/（口腔表）/35.035.00.035.535.4-0.136.035.9-0.136.536.4-0.137.037.00.037.537.50.038.038.00.038.538.50.039.039.1+0.139.539.50.040.040.1+0.140.540.7+0.241.041.1+0.141.541.50.042.042.2+0.2标准偏差： 从以上分析可以看出，PN结数字温度计精度非常高，准确性相当好。3.2 LM35数字温度计的设计 将电压输出型LM35的输出电压通过放大电路并将输出电压与标准温度进行对比校准，即可制成数字温度计。测量数字温度计的线性度（从35.0-42.0），每隔0.5测量一次，到42.0止。 表3.2 LM35数字温度计与标准温度示值比较t/v/35.00.35035.00.035.50.35535.50.036.00.35936.1+0.136.50.36536.6+0.137.00.36937.1+0.137.50.37237.6+0.138.00.38038.2+0.238.50.38538.7+0.239.00.39039.3+0.339.50.39539.8+0.340.00.40040.00.040.50.40540.50.041.00.40941.2+0.241.50.41441.6+0.142.00.41942.2+0.2标准偏差： 从以上分析可以看出，NTC 1k数字温度计精度高，准确性好，但由于存在温度传感器与井式炉的热接触等问题，在测温过程有一定的偏差。3.3 NTC 1k数字温度计的设计 将作为信号通过放大电路放大为10/的电压输出，并将输出电压与标准温度进行对比校准，即可制成数字温度计。测量数字温度计的线性度（从35.0-42.0），每隔0.5测量一次，到42.0止。 表3.3 NTC 1K自制数字温度计与标准温度计示值比较 t/v/35.00.35035.00.035.50.35535.50.036.00.35936.1+0.136.50.36436.4-0.137.00.36937.1+0.137.50.37637.6+0.138.00.38238.2+0.238.50.38538.7+0.239.00.39039.3+0.339.50.39539.8+0.340.00.40040.00.040.50.40640.6+0.141.00.40941.2+0.241.50.41741.7+0.242.00.42242.2+0.2标准偏差： 从以上分析可以看出，NTC 1k数字温度计精度高，准确性好。3.4 不同温度传感器的温度计评估 用设计的数字温度计与实验室常用的温度计进行测温比较，结果如表3.4表3.4数字温度计的测温比较温度计类型 冰水混合物 沸水PN结温度计0.192.1LM35温度计0.292.3NTC 1K温度计0.292.2水银温度计0.392.3从上表及温度特性测量的实验结果，我们可以看出，PN结设计的温度计，比水银温度计灵敏度高、线性好、准确性高；LM35设计的温度计，比水银温度计线性度好、一致性好；NTC 1K设计的温度计，比水银温度计准确度高。可以得出与传统的温度计相比, 新型的集成温度传感器具有使用方便, 线性度好, 精度高, 体积小, 反应快, 校准方便, 价格低等优点。由于这些优点的存在，才使得温度传感器成为工业生产的新宠！4 温度传感器的应用及发展前景4.1 温度传感器的应用温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器体型非常小，被广泛应用于温度测量、恒温控制，温度补偿等方面，也为人们的生活提供了无数的便利与功能。温度传感器在低碳、环保生活领域的应用。如智能水杯，通过温度传感器对杯中水温进行数据采集，然后由水杯上安装的指示灯显示不同的水温状态。PN结温度传感器一种体积小、检温准确、操作方便的温度计量器具，它适应不同温度区域的检温要求。在医疗领域的应用，如对肿瘤的诊断可根据测出患者体内穴位的温度变化异常，确定肿瘤部位，实现早期治疗。 NTC温度传感器是世界上采用较多的温度传感器，具有抗干扰能力强、一致性好、测温精度高等特点其采用环氧树脂密封，外加金属外壳，结构牢固，不可拆卸，可以直接触水测量。空调是近年来使用NTC温度传感器范围最广的设备之一。4.2 温度传感器的发展前景数字温度计在当前社会的应用十分广泛，涉及到许多需要温度控制的产业，如各工矿企业，大专院校，科研院所等等。当今社会是个科技迅速发展的社会，对温度的精确测量与控制逐步的显现与加强。基于这点，温度传感器的发展必定是大跨步的走向成熟。一方面，各科研院校的实验室，对体积小，使用方便的温度传感器需求较大，而各工矿企业，则需要一些稍大点温度传感器。另一方面，航天、生物方面，对温度的测量与控制也是极其需要的。航天方面对温度传感器的精确度要求相当高，这在很大程度上促进了温度传感器的发展。生物医药方面亦然。进入 21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、 多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。结束语通过具体测量PN结、LM35、NTC 1K温度传感器电压-温度特性，利用PN结、LM35、NTC 1K温度传感器的特性，设计数字温度计并对其定标，与传统温度计相比较，显示出了PN结、LM35、NTC 1K温度传感器精度高，反应快，读数简单的优越性。本文只是进行了一个粗浅的研究，还有待其他学者进一步探讨。参考文献1 严芸.浅谈温度传感器的现状与发展J.大众科技,2006(5):38-39.2 于成民.温度传感器的发展与应用J.仪表工业,1985(4):13-17.3 李学玲,刘金伟.浅析温度传感器J.内蒙古石油化工,2012(4):55.4 胡中山.模温控制系统中温度传感器的选择J.轻工科技,2013,(6):71.5 何碧青.温度传感器J.贵州教育学院学报,2005,16(2):38-41.6 姚刚,毛江,熊学琴.温度传感器在智能水杯设计中的应用J.山西煤炭管理干部学院学报,2013,26(3):134-135.7 郝秀芬,张迎春.PN结温度传感器的应用J.仪表技术,1991,(1):38-40.8 蒋朝伦,徐尚炎,唐勇.NTC热敏电阻器和NTC温度传感器的性能与应用及其发展J.传感器技术,2004,(23):31-38.9 朱成银,古钟壁.基于AD590的低功耗智能温度检测仪J.仪器仪表用户，2003,10(6):14-16.10沙占友.智能温度传感器的发展趋势J.电子技术应用,2002,(5):6-7.Research on Characteristics of Temperature SensorDepartment of Physics 1003 Student :Jiao Ma Tutor : Jianying LiAbstract: Temperature sensor is defined as one sensor which can convert temperature into usable output signal, and is one device which can detect the temperature by measuring the physical quantity. This paper studies the temperature characteristics of PN junction, LM35, NTC 1K temperature sensor from the experimental point of view. Calibrates and designs digital thermometer based on the studies. Comparing with the traditional temperature thermometer, PN junction, LM35, NTC 1K digital thermometer has advantages of high accuracy, fast response, and simple reading etc. Finally, discusses the development prospects and the applications fields of digital thermometer. Key words: Temperature sensor; PN junction; Digital thermometer致谢 在写作过程中承蒙李建英老师的悉心指导，她给我指明了论文的研究方向。她专业知识渊博，治学态度严谨，工作精益求精，她和蔼的性格以及平易近人的人格魅力不仅教会了我如何为人师表，还教会了我为人处事的道理。无论从论文选题还是到最后完成，每一步都是在她的指导下完成的，她倾注了大量的心血。在此，特向李老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学的帮助。在此，向他们献上我衷心的感谢和祝福，祝他们工作顺利，万事如意。16