1、温度传感器的特性研究大学本科毕业论文引言 11温度传感器的类型 12温度传感器的特性测量 2实验仪器简介 22.2PN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NTC 1K温度传感器温度特性的测量 7 3不同温度传感器的数字温度计的设计 93.1PN结数字温度计的设计 93.2LM35数字温度计的设计 113.3NTC 1k数字温度计的设计 12不同温度传感器的温度计评估 134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
2、：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、LM35 NTC 1K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
3、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 2 L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
4、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-200650准确度咼铜电阻-50150测量范围大电阻半导体热敏电 阻-50150电阻率大、温度 系数大、线性 差、一致性差执八、铂铑-铂s01300用于高温测量、铂铑-铂铑01600低温测量两大电镍-镍硅01000类，应用不方便镍铬-康铜-200 750零
5、点补偿偶铁康铜-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，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、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
6、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221 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 -50 C 150C。I = I S通常PN结
7、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:Iqu kT(2.2)2.2 式中 q =1.602 10,9C ；玻尔兹曼常数 k =1.381 10J. 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 =BT Ugo(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。be110K9013 Ube2 Ur实验测量如图。图用+5v恒压源使流过 PN结的电流约为 400MA25C。测量Ube是用Ubel、Ube2两端，作传感器应用时从Ube U r
8、输 出。U be1实验内容1KR2图2.2 PN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10.0 C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2.1 PN结电压Ube与温度的关系123T/CUbeT/CU be/VT/CUbe/VI图2.3 PN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 U-T线段的方程为U=0.65351-0
9、.00233T,即按照电压计算时的灵敏度 为C。PN结的灵敏度是-2.30 mV / C，所以，灵敏度误差-2.30100% =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. C t(2.4)t=U/K实验测量时
10、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。LM35 0232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 10.0 C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123T/C5NT/Cu/VT/CU/V图2.5 LM35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
11、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 =102910.00 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NTC 1K温度传感器温度特性的测量2.4.1+5vNTC 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 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NTCU R11KRtU RtUr1压Urt，即可知被测
12、热电阻的阻值。当电路电流为 IO ,图2.6 NTC 1K电路图温度为T时，热电阻Rt为：I 02.6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
13、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R U RtRt Ur12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JNTC 1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，
14、每隔图2.7 NT图27实验电路10.0 C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80.0 C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/CT/kUr/vU Rt/vRt/。(1T X1J3)K 丿In Rt图2.8 inR与1/T的关系从图可以看出NTC1K的in rt与1/T呈线性关系，利用最小二 乘法计算in Rt-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3830 K。一般情况下B为2000K-6000K.实验所得在这个区间。实验证明
15、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3.1PN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35.0 C -42.0 C,每隔0.5 C测量一次，到42.0 C 止。表3.1 PN结制作数字温度计标准温度示值比拟t/CtJC 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。3.2 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
16、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35.0 C-42.0 C,每隔0.5 C测量一次，到42.0 C止。表3.2 LM35数字温度计与标准温度示值比拟t/ CU/vtj C加#-1 C标准偏差：S = JXn 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35.0 C -42.0 C,每隔0.5 C测
17、量一次，到42.0 C 止。表3.3 NTC 1K自制数字温度计与标准温度计示值比拟t/ CU/vt1/ CAt(= t t)/ C标准偏差：S = JXnX)/ 从以上分析可以看出，NTC 1k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NTC 1K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； NTC 1K设计的温度 计，
18、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
19、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
20、，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、LM35 NTC 1K温度传感器电压-温度特性， 利用PN结、LM35 NTC 1K温度传
21、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、LM35 NTC 1K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):38-39.2于成民.温度传感器的开展与应用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,2021(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,2021,(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.
22、 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,2021,26(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 与应用及其开展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.智能温度传感器的开展趋势J.电子技术应用,2002,(5):6-7.Research on Characteristics of Temper
23、ature Sen sorDepartme nt of Physics 1003 Stude nt :Jiao MaTutor :Jia nying LiAbstract : Temperature sensor is defined as one sensor which can convert temperature into usable output sig nal, and is one device which can detect the temperature by measuring the physical qua ntity. This paper studies the
24、 temperature characteristics of PNjunction, LM35, NTC1K temperature sensorfrom the experime ntal point of view. Calibrates and desig ns digital thermometer based on the studies. Compari ng with the traditional temperature thermometer, PNjunction, LM35, NTC1Kdigital thermometer has advantages of high
25、 accuracy, fast response, and simple reading etc. Finally, discusses the development prospects and the applications fields of digital thermometer.Key words: Temperature sen sor; PN jun cti on; Digitalthermometer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。
