溫度傳感器溫度特性研究

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)I講義溫度傳感器溫度特性研究溫度傳感器溫度特性研究【目的與任務(wù)】1、掌握半導(dǎo)體PN結(jié)正向電壓與溫度的關(guān)系特性；2、學(xué)會用最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求線性回歸方程?！緝x器與設(shè)備】FD-TTT-A型溫度傳感器溫度特性實(shí)驗(yàn)儀（內(nèi)含半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器、加熱井、數(shù)字電壓表）、連接導(dǎo)線、PT100控溫傳感器?！驹砼c方法】“溫度”是一個重要的熱學(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) 過程中，溫度的變化對實(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)用非常廣泛。 溫度傳感器是利用一些金屬、半導(dǎo)體等材料某一個方面的物理性質(zhì)與溫度密切相關(guān)的特性制成的。常用的溫度傳感器有熱敏電阻、熱電

2、偶、IC溫度傳感器和PN結(jié)溫度傳感器等。常用的溫度傳感器的類型和作用見表1。表1常用的溫度傳感器的特性傳感器測溫范圍/ c特點(diǎn)熱電阻鉗電阻-200 650準(zhǔn)確度高、精度高、測量范圍大銅電阻-50 150饃電阻-60 180半導(dǎo)體熱敏電阻-50 150電阻率大、溫度系數(shù)大、線性差、一 致性差熱電偶鉗銬-鉗（S）01300用于高溫測量、低溫測量兩大類、應(yīng) 用不方便（零點(diǎn)補(bǔ)償）鉗銬-鉗銬（B）01600饃銘-饃硅（K）01000饃銘-康銅（E）-200 750鐵-康銅 （J）-40 600其 它PN結(jié)-50 150體積小、靈敏度高、線性好、一致性 差I(lǐng)C溫度傳感器-50 150線性度好、一致性好PN

3、結(jié)溫度傳感器是利用半導(dǎo)體 PN結(jié)的結(jié)電壓對溫度依賴性，實(shí)現(xiàn)對溫度檢測的，實(shí)驗(yàn) 證明，在正向電流保持恒定的條件下，PN結(jié)的正向電壓 U和溫度T近似滿足下列線性關(guān)系U=KT+Ug。,（1）式中K為PN結(jié)的結(jié)電壓溫度系數(shù),Ugo為半導(dǎo)體材料參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)將通過測量PN結(jié)溫度傳g感器的特征物理量隨溫度的變化，來了解這種溫度傳感器的工作原理。實(shí)驗(yàn)測量儀如圖1。此實(shí)驗(yàn)儀為溫度傳感器綜合實(shí)驗(yàn)儀，能用來研究多種溫度傳感器溫度特性。本實(shí)驗(yàn)我們只研 究PN結(jié)。從面板上看，右下端為加熱裝置（加熱井） ，旁邊就是PN電路構(gòu)件。電路中串聯(lián) 了一個51K的電阻，實(shí)驗(yàn)時，在此串聯(lián)電路兩端加 5V恒壓源，那么流過PN結(jié)的電流近

4、似為 恒流。圖1 FD-TTT-A型溫度傳感器溫度特性實(shí)驗(yàn)儀【指導(dǎo)與要求】一、實(shí)驗(yàn)主要步驟1、把控溫用的PT100溫度傳感器插入加熱井，數(shù)據(jù)線端按照顏色分別插入控溫顯示面 板下面的三個插孔（上右）；2、在教師的指導(dǎo)下，連接好 PN結(jié)電路，包含如下三個步驟，首先在串聯(lián)電路的兩端加上5V電源；再把測量用的 PN結(jié)溫度傳感器插入加熱井，數(shù)據(jù)線接在 PN結(jié)標(biāo)志的兩個接線 柱上；最后，用導(dǎo)線分別連接 PN結(jié)兩端接線柱到數(shù)字電壓表（上左）。注意，電路一定要連 接正確，不然有可能會導(dǎo)致 PN燒壞。確保電路連接無誤后，進(jìn)行下一步；3、打開電源；5、調(diào)節(jié)控溫面板上的溫度選擇按鈕，使其溫度設(shè)定為分別為30 C,加

5、熱井會加熱 PN結(jié)到設(shè)定溫度附近。 當(dāng)溫度穩(wěn)定后，記下此時的溫度t （請轉(zhuǎn)化為熱力學(xué)溫度 T）和數(shù)字電壓 表的電壓值U6、依次設(shè)定溫度為 40,50,60,70,80,90 和100C,記下穩(wěn)定后的溫度 T和U把測量的 （Ti,Ui蹶據(jù)填入數(shù)據(jù)記錄表格。二、數(shù)據(jù)記錄與處理1、列表記錄數(shù)據(jù)表1 不同溫度下的 PN結(jié)結(jié)間電壓單位：K、VN12345678TiUi2、數(shù)據(jù)處理：（1）用計算機(jī)軟件（excel或者origin）做出Ui Ti特性曲線。用最小二乘法擬合得到PN結(jié)的結(jié)電壓溫度系數(shù) K及半導(dǎo)體材料參數(shù) Ugo。要求用計算機(jī)打印好擬合曲線圖并在圖 上給出擬合公式和相關(guān)系數(shù)。（2）寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)（

6、包括自己對實(shí)驗(yàn)的看法或者體會，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及是否達(dá)到實(shí) 驗(yàn)?zāi)康模??！舅伎寂c練習(xí)】1、PN結(jié)是正溫度型還是負(fù)溫度型溫度傳感器？2、若要用NTC溫度傳感器測量溫度，怎樣將其線性化？ （NTC相關(guān)知識請參看講義后面的附錄）附錄一：NTC型熱敏電阻熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件，根據(jù)其電阻率隨溫度變化的特性不同，大致可分為三種類型：（1） NTC（負(fù)溫度系數(shù)）型熱敏電阻；（2） PTC（正溫度系數(shù)）型熱敏電阻； （3） CTC（臨界溫度系數(shù)）型熱敏電阻。其中PTC型和CTC型熱敏電阻在一定溫度范圍內(nèi)，阻值隨溫度劇烈變化，因此可用做開關(guān)元件，在溫度測量中使用較多的是NTC型熱敏電阻。NTC型熱敏

7、電阻其電阻一溫度特性符合負(fù)指數(shù)規(guī)律，在不太寬的溫度范圍內(nèi)（小于 450 C）,滿足下式:1 1B(T 亍)(附 1.1 )Rt =R0e0式中RT , R0是溫度為T （K）, To （K）時的電阻值；B是熱敏電阻材料常數(shù)，一般情況為2000-6000 Ko定義汽為熱敏電阻的溫度系數(shù):：(T) =T2，(附 1.2 )若B=4000K,當(dāng)T =293.15 (20C)時，熱敏電阻的 «(293.15) =0.047/K ,約為鉗電阻的12倍。-6 -附錄二：最小二乘法線性擬合假設(shè)N組等精度測量數(shù)據(jù)（xi, y ）滿足下列線性方程y = a bx（附 2.1 ）根據(jù)測量數(shù)據(jù)可以求出最佳

8、的a和b。，測量值yi和直線上的點(diǎn)a十bxi的偏差di為di = y -（a+bx ）（附 2.2 ）顯然，如果測量點(diǎn)都在直線上（可能并不都在直線上，這樣只有考慮加起來可能相互抵消， 因此不可?。?N等效方法：d di2對a和b為最小時, i 4b的方法叫 最小二乘法。di = 0）,求出的a和b是最理想的。但實(shí)際測量數(shù)據(jù)Ndi為最小，也就是考慮 d di為最小，但因di有正有負(fù),Ni 1而£ di又不好解方程，因而也不可行。現(xiàn)在采取一種i 1di也為最小。我們把這種取N工di2為最小值，求a和i=4即:ND ='、i 1一 2di - < |Ji - a - bixi

9、根據(jù)變分原理，要上述泛函D取極小值，須FD“ yi - Na -bx xii=iiWNZi=1xiyiN-axxii=iN-bx xi2 = 0i=1（附（附（附兩邊同除以2.32.42.5yi1 N -a-b-"1 NN idxyi1 N -a-"N id1 .N 2-b xi = 0N i=1（附2.61 N上式中，1V xiN ia/ xiyi=xy，N i 11 N c 二H xi2 = x2 ,因此, N imb=2xrxy2（附2.7將a和b值帶入線性方程y = a + bx ,即得到線性回歸方程。我們根據(jù)（附 2.7 ）,就可以擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到線性回歸方程。但是，不論測量數(shù)據(jù)（xi, yi ）是不是線性關(guān)系，由上面公式都能求出