温度传感器的特性研究大学本科毕业论文.docx
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温度传感器的特性研究大学本科毕业论文
引言1
1温度传感器的类型1
2温度传感器的特性测量2
实验仪器简介2
2.2PN结温度传感器的温度特性测量3
电压型集成温度传感器〔LM35输出电压与温度特性的测量.5负温度系数热敏电阻〔NTC1K温度传感器温度特性的测量•73不同温度传感器的数字温度计的设计9
3.1PN结数字温度计的设计9
3.2LM35数字温度计的设计11
3.3NTC1k数字温度计的设计12
不同温度传感器的温度计评估13
4温度传感器的应用及开展前景13
温度传感器的应用14
温度传感器的开展前景13
结束语14
参考文献14
英文摘要12
致谢13
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、LM35NTC1K温度传感器的温度特性。
在此根底上对其定标并设计数字温度计,与传统温度计进行测温比拟,显示出PN结、LM35NTC1K数字温度计在测温方面具有精度高,反响快,读数简单等优越性。
最后探讨了数字温度计的应用领域和开展前景。
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,是国际单位制七个根本量之一11
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开展,温度传感器逐渐开展成目前应用最广泛的一种传感器2L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3。
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4L
表常用的温度传感器类型与应用
类
型
传感器
测温范围/C
特点
执
八、、
铂电阻
-200—650
准确度咼
铜电阻
-50—150
测量范围大
电
阻
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
执
八、、
铂铑-铂〔s〕
0—1300
用于高温测量、
铂铑-铂铑
0—1600
低温测量两大
电
镍-镍硅
0—1000
类,应用不方便
镍铬-康铜
-200—750
〔零点补偿〕
偶
铁康铜
-40—600
其
它
PN结
-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,致性好
2温度传感器的特性测量
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、NTC1K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〔PtIOO〕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2.1FD-BHM-B实物图
2.2PN结温度传感器的温度特性测量
221PN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Ube一般约600mV(25C),且与温度成反比。
线性良好,温度系数约为C,测量精度高,测温范围可达-50C—150C。
I=IS
通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足式
(2.1)
在常温条件下,且时,式可近似为:
I
qukT
(2.2)
2.2式中q=1.60210,9C;玻尔兹曼常数k=1.38110^J.K;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近似满足以下线性关系
U=BTUgo
(2.3)
式中Ugo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。
〕
be1
10K
9013Ube2Ur
实验测量如图。
图用+5v恒压源使流过PN结的电流约为400MA〔25C〕。
测量Ube是用Ubel、Ube2两端,作传感器应用时从Ube^Ur输出。
Ube1
实验内容
1K
R
2图2.2PN结原理图
将控温传感器Ptioo铂电阻插入干井式恒温加熬l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10.0C控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压Ube的测量。
实验数据及处理
表2.1PN结电压Ube与温度的关系
1
2
3
T/C
Ube"
T/C
Ube/V
T/C
Ube/V
I
图2.3PN结正向导通电压与温度的关系
从图可以看出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二a+bx,得:
,b=-0.00233 PN结的灵敏度是-2.30mV/C,所以,灵敏度误差 〔-2.30〕 100%=1.30% 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。 电压型集成温度传感器(LM35)输出电压与温度特性的测量 2.3.1LM35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(C),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C,利用式可计算出被测温度t(C): U0二Kt=10.00mV.°Ct (2.4) t=U°/K 实验测量时只 +3 即 (2.5) LM35温度传感器电路符号见图2.4,U0为输出端 要直接测量输出端电压U0,即知待测的温度。 LM350 232实验内容 将控温传感器PtIOO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10.0C 控温系统设置一次,控温后恒定2min测传感器LM35的输出电压。 实验数据 表集成温度传感器LM35输出电压与温度的关系 1 2 3 T/C 5N T/C u°/V T/C U°/V 图2.5LM35输出电压与温度关系 从图可以看出LM35勺Uo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二a+bx,得: a=-0.01704,。 U-T 线段的方程为,即按照电压计算时的灵敏度为 C。 LM35的灵敏度是C,所以,灵敏度误差 A=10・29—10.00辺100%=2.90% 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。 负温度系数热敏电阻〔NTC1K温度传感器温度特性的测量 2.4.1 +5v NTC1K温度传感器的测温原理 恒压源电流法测量热电阻,电路如图所示,10k 电源采用恒压源,R1为数值的固定电阻,Rt为热电阻。 Urt为R1上的电压,URt为Rt上的电压,Ur1用于监测电路的电流。 当电压、温度恒定时那么一定,电流Io那么为Ur1/R1。 测出热电阻两端电 NTC UR1 1K Rt URt Ur1 压Urt,即可知被测热电阻的阻值。 当电路电流为IO, 图2.6NTC1K电路图 温度为T时,热电阻Rt为: I0 〔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35C-42C〕。 在一定 的温度范围内〔小于150C〕NTC热敏电阻的电阻Rt与温度T之间有如下关系: 〔2.7〕 式中Rt、R0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对式两边取对数,那么有: ln尺=B〔丄一丄〕InR。 (2.8) 由式可见,InRT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。 实验内容 在一定的温度时〔温度 Rt的电流,即: "UrRk号 用恒压源法测热敏电阻的方法见图2.7不变〕检测1心」电阻上的电压即可知道流过 RURt RtUr1 2嘗) 那么测量热敏电阻上的电压即可知道它的阻值〔 (2.9) 每改变一次温度都要重新测量流过Rt的电流〔Rt的阻值已J NTC1 经变化了〕。 将控温传感器PtIOO铂电阻插入干井式恒温 1K 加热炉的中心井,待测的NTC1K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,每隔图2.7NT图27实验电路 10.0C控温系统设置一次,稳定2min后,用式测量、 计算热敏电阻的阻值,到80.0C止。 将测量结果用最小二乘法直线拟合,求出结果。 实验数据 表热敏电阻阻值与温度关系 t/C T/k Ur/v URt/v Rt/。 (1TX1^J3)K丿 InRt 图2.8inR与1/T的关系 从图可以看出NTC1K的inrt与1/T呈线性关系,利用最小二乘法计算inRt-1/T的拟合线段方程y二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3830K。 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,NTC1K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 3.1PN结数字温度计的设计 将Ur作为信号通过放大电路放大为10mV/C的电压输出,并将输出电压与标准温度进行比照校准,即可制成数字温度计。 测量数字温度计的线性度〔从35.0C-42.0C〕,每隔0.5C测量一次,到42.0C止。 表3.1PN结制作数字温度计标准温度示值比拟 t/C tJC〔口腔 表〕 加占—t)/C 标准偏差: S=J,〔 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。 3.2LM35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比照校准,即可制成数字温度计。 测量数字温度计的线性度〔从35.0C-42.0°C〕,每隔0.5C测量一次,到42.0C止。 表3.2LM35数字温度计与标准温度示值比拟 t/C U°/v tjC 加〔#-1"C 标准偏差: S=J"〔Xn 从以上分析可以看出,NTC1k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。 3.3NTC1k数字温度计的设计 将URt作为信号通过放大电路放大为10mV/C的电压输出,并将输出电压与标准温度进行比照校准,即可制成数字温度计。 测量数字温度计的线性度〔从35.0C-42.0C〕,每隔0.5C测量一次,到42.0C止。 表3.3NTC1K自制数字温度计与标准温度计示值比拟 t/°C U°/v t1/C At(=t^—t)/C 标准偏差: S=J"Xn—X)/ 从以上分析可以看出,NTC1k数字温度计精度高,准确性好。 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拟,结果 如表 表数字温度计的测温比拟 冰水混合 物 沸水 PN结温度计 LM35温度计 NTC1K温度计 水银温度计 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;NTC1K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,反响快,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开展前景 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5】,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6。 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7」。 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圭寸,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一8。 温度传感器的开展前景 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9。 当今社会 是个科技迅速开展的社会,对温度的精确测量与控制逐步的显现与加强。 基于这点,温度传感器的开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,那么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开展。 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、高可靠性及平安性、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开展10。 结束语 通过具体测量PN结、LM35NTC1K温度传感器电压-温度特性,利用PN结、LM35NTC1K温度传感器的特性,设计数字温度计并对其定标,与传统温度计相比拟,显示出了PN结、LM35NTC1K温度传感器精度高,反响快,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开展[J].群众科技,2006(5): 38-39. 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ResearchonCharacteristicsofTemperatureSensor DepartmentofPhysics1003Student: JiaoMa Tutor: JianyingLi Abstract: Temperaturesensorisdefinedasonesensorwhichcanconverttemperatureintousableoutputsignal,andisonedevicewhichcandetectthetemperaturebymeasuringthephysicalquantity.ThispaperstudiesthetemperaturecharacteristicsofPNjunction,LM35,NTC1Ktemperaturesensor fromtheexperimentalpointofview.Calibratesanddesignsdigitalthermometerbasedonthestudies.Comparingwiththetraditionaltemperaturethermometer,PNjunction,LM35,NTC1K digitalthermometerhasadvantagesofhighaccuracy,fastresponse,andsimplereadingetc..Finally,discussesthedevelopmentprospectsandtheapplicationsfieldsofdigitalthermometer. Keywords: Temperaturesensor;PNjunction;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。
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