溫度傳感器的溫度特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1、溫度傳感器的溫度特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)【目的要求】測(cè)量 PN結(jié)溫度傳感器的溫度特性；測(cè)試PN結(jié)的正向電流與正向電壓的關(guān)系（指數(shù)變化規(guī)律）并計(jì)算出玻爾茲曼常數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】FD-ST-TM溫度傳感器溫度特性實(shí)驗(yàn)?zāi)K（需配合 FD-ST 系列傳感器測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀）含加熱系統(tǒng)、恒流源、直流電橋、Pt100 鉑電阻溫度傳感器、NTC1K熱敏電阻溫度傳感器、PN 結(jié)溫度傳感器、電流型集成溫度傳感器AD590、電壓型集成溫度傳感器LM35、實(shí)驗(yàn)插接線(xiàn)等） 。【實(shí)驗(yàn)原理】“溫度”是一個(gè)重要的熱學(xué)物理量，它不僅和我們的生活環(huán)境密切相關(guān)，在科研及生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的變化對(duì)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)的結(jié)果至關(guān)重要，所以溫度傳感器應(yīng)用廣泛。溫

2、度傳感器是利用一些金屬、半導(dǎo)體等材料與溫度相關(guān)的特性制成的。常用的溫度傳感器的類(lèi)型、測(cè)溫范圍和特點(diǎn)見(jiàn)下表。類(lèi)型傳感器測(cè)溫范圍 / 特點(diǎn)鉑電阻-200 650準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大熱銅電阻-50 150電阻-60 180鎳電阻半導(dǎo)體熱敏電阻-50 150電阻率大、溫度系數(shù)大、線(xiàn)性差、一致性差鉑銠-鉑 （S）0 1300熱鉑銠 - 鉑銠（ B）0 1600用于高溫測(cè)量、低溫測(cè)量?jī)纱箢?lèi)、必須有恒溫參電偶鎳鉻 - 鎳硅（ K）0 1000考點(diǎn)（如冰點(diǎn)）鎳鉻 - 康銅（ E）-200 750鐵- 康銅 （J）-40 600PN結(jié)溫度傳感器-50 150體積小、靈敏度高、線(xiàn)性好、一致性差其IC 溫度傳感器-

3、50 150線(xiàn)性度好、一致性好它PN結(jié)溫度傳感器1 測(cè)試 PN結(jié)的 Vbe 與溫度變化的關(guān)系，求出靈敏度、斜率及相關(guān)系數(shù)PN結(jié)溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電壓對(duì)溫度依賴(lài)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度檢測(cè)的，實(shí)驗(yàn)證明在一定的電流通過(guò)情況下，PN結(jié)的正向電壓與溫度之間有良好的線(xiàn)性關(guān)系。通常將硅三極管b、c 極短路，用b、 e1極之間的 PN 結(jié)作為溫度傳感器測(cè)量溫度。硅三極管基極和發(fā)射極間正向?qū)妷篤be 一般約為 600mV（ 25），且與溫度成反比。線(xiàn)性良好，溫度系數(shù)約為-2.3mV/ , 測(cè)溫精度較高，測(cè)溫范圍可達(dá)-50 150。缺點(diǎn)是一致性差，互換性差。通常 PN結(jié)組成二極管的電流I 和電壓 U 滿(mǎn)

4、足（ 1）式II S eqU / kT1（ 1）在常溫條件下，且eqU / KT1時(shí)，（ 7）式可近似為II SeqU / kT（2）（ 7）、（ 8）式中 :q1.60210 19 ; C 為電子電量， k1.381 10 23 J / K 為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度；Is為反向飽和電流；正向電流保持恒定條件下，PN結(jié)的正向電壓U 和溫度 t 近似滿(mǎn)足下列線(xiàn)性關(guān)系U=Kt+Ugo（ 3）（ 3）式中 Ugo 為半導(dǎo)體材料參數(shù)， K 為 PN結(jié)的結(jié)電壓溫度系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量如下圖。圖中用恒壓源串接 51K 電阻使流過(guò) PN結(jié)的電流近似恒流源。2. 玻爾茲曼常數(shù)測(cè)定PN 結(jié)的物理特性是物理學(xué)和電

5、子學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。模塊通過(guò)專(zhuān)用電路來(lái)測(cè)量研究PN 結(jié)擴(kuò)散電流與結(jié)電壓的關(guān)系，證明此關(guān)系遵循指數(shù)變化規(guī)律，并準(zhǔn)確的推導(dǎo)出玻爾茲曼常數(shù)（物理學(xué)的重要常數(shù)之一）。由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，PN結(jié)的正向電流電壓關(guān)系滿(mǎn)足式（1），式（ 1）中， I 是通過(guò) PN結(jié)的正向電流， I S 是不隨電壓變化的常數(shù)（漏電流） 。T 是熱力學(xué)溫度。 e 是電子的電荷量， U 為 PN結(jié)正向壓降。由于在常溫（ 300K）時(shí) KT/e 0.026V ，而 PN結(jié)正向壓降約為幾百毫伏，則 exp(eU/KT)>>1,2則式（ 1）中 -1 項(xiàng)可忽略，于是有：II SeqU / kT(2)即：PN結(jié)正向電流隨正向電

6、壓按指數(shù)規(guī)律變化。如測(cè)出 PN結(jié) I-U 關(guān)系值， 則利用式（ 1）可以求出 e/KT 。在測(cè)得實(shí)際溫度 T 后就可以得到 e/K 常數(shù)，把電子電荷量代入即可求得玻爾茲曼常數(shù)K。在實(shí)際測(cè)量中，二極管的PN 結(jié) I-U 關(guān)系雖也滿(mǎn)足指數(shù)關(guān)系，但求得的K 往往偏小，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)二極管電流一般包括三個(gè)成分：1 擴(kuò)散電流，它嚴(yán)格遵循式（8）； 2 耗盡層復(fù)合電流，它正比于exp(eU/2KT);3 表面電流，它是由Si 和 SiO2 界面中雜質(zhì)引起的。其值正比于exp(eU/mKT),一般 m>2。因此為了準(zhǔn)確的推導(dǎo)出K，不宜采用二極管，而采用硅三極管，且接成共基極電路。因?yàn)榇藭r(shí)三極管C和 B

7、短接， C極電流僅僅是擴(kuò)散電流，復(fù)合電流主要在B 極中出現(xiàn)。這樣測(cè)量E 極電流就能得到滿(mǎn)意的結(jié)果。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1玻爾茲曼常數(shù)測(cè)定按實(shí)驗(yàn)要求接好電路。為保證改變I-U 值時(shí) PN結(jié)溫度不變，將PN結(jié)插入干井爐井內(nèi)并將溫度設(shè)定控制 50 （± 0.1 ），調(diào)節(jié)電位器改變U1 （ Ube ）和 U2（U0 ）值，每間隔0.02V 測(cè)一點(diǎn)，約測(cè)10 點(diǎn)左右，至 U2 值達(dá)到飽和時(shí)（U2 值變化很小或基本不變）結(jié)束測(cè)量。數(shù)據(jù)記錄如下：t = 50U /V0.3000.3200.3400.3600.3800.4000.4200.4400.4600.4801U2 /V曲線(xiàn)擬合：運(yùn)用最小二乘法將實(shí)驗(yàn)

8、數(shù)據(jù)分別代入線(xiàn)性回歸，指數(shù)回歸，乘冪回歸這三種常用的基本函數(shù)，然后求出衡量各回歸函數(shù)的好壞標(biāo)準(zhǔn)差 。對(duì)已測(cè)出的U1 和 U2，多對(duì)數(shù)據(jù)，以U1 為自變量， U2 作因變量，分別代入（1）線(xiàn)性函數(shù)U2=a U1+b； (2) 乘冪函數(shù) U2=a U1b ；(3) 指數(shù)函數(shù) U2= exp(b U1) 。求出各函數(shù)的a 和 b 的值，得出三種函數(shù)式究竟哪一種符合物理規(guī)律必須用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)檢驗(yàn)。辦法為：把實(shí)驗(yàn)測(cè) 得的各個(gè)自變量U1分別代入三個(gè)基本函數(shù)，得到相應(yīng)因變量的預(yù)期值U2* ，并由此求出各函數(shù)擬合的標(biāo)準(zhǔn)差：n = (U i U i * ) 2 / n（ 4）i 1式中 n 為測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，Ui 為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的因變量，Ui* 為將自變量代入基本函數(shù)后得到的因變量預(yù)期3值，最后比較哪一種基本函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差 最小，說(shuō)明該函數(shù)擬合得最好。計(jì)算 e/K 常數(shù)，將電子電量作為標(biāo)準(zhǔn)代入式（1），即可求出玻爾茲曼常數(shù)，并說(shuō)明玻爾茲曼分布律的物理含義。2.PN 結(jié)溫度傳感器溫度特性的測(cè)試將控溫傳感器Pt100 鉑電阻 (A 級(jí) ) ，插入干井爐中心