温度传感技术.doc

实验十三 温度传感技术 传感器是一种装置或器件。国家标准GB7665－87给传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。目前，光信息技术已经异军突起，传感器的概念也许将随之发展成为：能把外界信息转换成光信号输出的器件。 在现代化生产及科学研究工作中，温度量是需要测量和控制的重要参数之一。测量温度可分为接触式和非接触式两种。常见的接触式传感器有：热膨胀、热电势式、热电阻式、PN结型测温传感器、集成温度传感器等。非接触式测温传感器有：光学高温传感器、热辐射式温度传感器等。 迄今为止，测量温度通常都是采用间接测量的方法。即利用一些材料或元件的性能随温度而变化的特征，通过测量该性能参数，而得到被测温度的大小。 本实验就是利用金属电阻铜RCu50、MF11型2.7KΩ半导体热敏电阻、半导体集成温度传感器AD590，来测试它们的温度特性。 工作原理 测温原件的工作原理及其温度特性测试电路 铜电阻RCu50 铜电阻测温原理是基于金属导体的电阻随温度变化的特性，其静态特性（不考虑时间变动的因素）温度与电阻值的关系，在-50~150℃范围内是线性的，即： ⑴ 式中，Rt、R0为铜电阻在温度t℃、0℃时的阻值；为铜电阻在0℃时的温度系数，= 4.25×10-3/℃，本实验配备的铜电阻RCu50是R0=50Ω工业上常用的测温元件。在工业上，将不同R0的Rt ~ t关系制成不同分度号的分度表，铜电阻的分度号有G、Cu50、Cu100（见附录Ⅰ）。只要保持不变，金属电阻Rt将随温度线性地增加，其灵敏度S为： 　　　　　　　　　 由此可见，越大，S也就越大。 MF11型2.7KΩ半导体热敏电阻 热敏电阻是由一些过渡金属氧化物（主要用M、C、N、F等氧化物）要一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制做而成，具有P型半导体的特性。有球状、片状或圆柱形的敏感元件。对于一般半导体材料，电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对来说可以忽略。但上述过渡金属氧化物则有所不同，在室温内基本上已全部电离，即载流子浓度基本与温度无关，此时主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度升高，迁移率增加，电阻率下降，故这类金属氧化物半导体是一种具有负温度系数的热敏电阻元件。其电阻——温度特性的数学表达式通常可以表示为 ⑵ 式中，R25和Rt分别表示温度为25℃和t℃时热敏电阻的阻值，T =273+t ；B为材料常数，其大小随制作热敏电阻时选用的材料和配方而异，对于某一确定的热敏电阻，B可由实验上测得的电阻——温度曲线的数据，用适当的数据处理方法求得。 若定义，则由(2)式可得： 　　　 可见，随温度降低而迅速增大。若取B值为4000K，当T =293.15K（20℃）时，=-4.5×10-2K-1，其绝对值是铜电阻温度系数10倍还多，因此，这种测温电阻灵敏度高。R0的常用范围一般在几百欧到一百千欧，引线电阻影响小，热敏电阻体积也小，因此它适合于测量微弱温度变化、温差及温度场的分布。 PN结测温元件 PN结的正向电流I和其两端间的电压V满足以下指数关系： ⑶ 其中q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T是结温（绝对温度值），I0是不随电压变化的常数。在常温（300K）下，KT / q＝0.026V，PN结正向电压仅为十分之几伏，则，所以(3)式可写成 　(3′) 晶体管PN结伏安特性随温度变化如图1所示，当其把一个阻值为Rc的负载电阻与PN结串联后接至电压值为Vc的外加电压时，PN结的电压随温度的变化情况就可以由PN结伏安特性和与Vc和R有关的负载线的交点对应的电压值确定。 在实际工作中，一般选用三极管，将集电极与基极短接，使其测量结果与公式(3′)更加符合。 AD590集成温度传感器 集成温度传感器是将温敏晶体管及其外围电路集成在同一单片上的集成化传感器。AD590是一种输出电流与温度成正比的集成温度传感器，其内部电路结构如图2所示。据推导，在电源电压的作用下，该电路总的工作电流I0为： ⑷ 在制做过程中，精确控制R5和R6的阻值，可使⑷式变为