實(shí)驗(yàn)三溫度傳感器特性的研究

實(shí)驗(yàn)三溫度傳感器特性的研究溫度傳感器是檢測(cè)溫度的器件，被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，其種類多，發(fā)展快．溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類．所謂接觸式就是傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，這是溫度測(cè)量的基本形式．而非接觸式是測(cè)量物體熱輻射而發(fā)出的紅外線從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)，這是接觸方式所做不到的．接觸式溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻以及鉑電阻等，利用其產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)或電阻隨溫度變化的特性來測(cè)量物體的溫度，被廣泛用于家用電器、汽車、船舶、控制設(shè)備、工業(yè)測(cè)量、通信設(shè)備等．另外，還有一些新開發(fā)研制的傳感器，例如，有利用半導(dǎo)體PN結(jié)電流/電壓特性隨溫度變化的半導(dǎo)體集成傳感器；有利用光纖傳播特性隨溫度變化或半導(dǎo)體透光隨溫度變化的光纖傳感器；有利用彈性表面波及振子的振蕩頻率隨溫度變化的傳感器；有利用核四重共振的振蕩頻率隨溫度變化的NQR傳感器；有利用在居里溫度附近磁性急劇變化的磁性溫度傳感器以及利用液晶或涂料顏色隨溫度變化的傳感器等．。非接觸方式是通過檢測(cè)光傳感器中紅外線來測(cè)量物體的溫度，有利用半導(dǎo)體吸收光而使電子遷移的量子型與吸收光而引起溫度變化的熱型傳感器．非接觸傳感器廣泛用于接觸溫度傳感器、輻射溫度計(jì)、報(bào)警裝置、來客告知器、火災(zāi)報(bào)警器、自動(dòng)門、氣體分析儀、分光光度計(jì)、資源探測(cè)等．。本實(shí)驗(yàn)將通過測(cè)量幾種常用的接觸式溫度傳感器的特征物理量隨溫度的變化，來了解這些溫度傳感器的工作原理．【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．了解幾種常用的接觸式溫度傳感器的原理及其應(yīng)用范圍；2．測(cè)量這些溫度傳感器的特征物理量隨溫度的變化曲線．【實(shí)驗(yàn)原理】1．鉑電阻導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而改變，通過測(cè)量其電阻值推算出被測(cè)環(huán)境的溫度，利用此原理構(gòu)成的傳感器就是熱電阻溫度傳感器．能夠用于制作熱電阻的金屬材料必須具備以下特性：（1）電阻溫度系數(shù)要盡可能大和穩(wěn)定，電阻值與溫度之間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系；（2）電阻率高，熱容量小，反應(yīng)速度快；（3）材料的復(fù)現(xiàn)性和工藝性好，價(jià)格低；（4）在測(cè)量范圍內(nèi)物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定.目前，在工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料是鉑和銅.鉑電阻與溫度之間的關(guān)系，在0～630.74℃范圍內(nèi)可用下式表示(201TBATRRT++=)（1）在－200～0oC的溫度范圍內(nèi)為([]320℃1001TTCBTATRRT?+++=（2）-16-式中，R0和RT分別為在0oC和溫度T時(shí)鉑電阻的電阻值，A、B、C為溫度系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。A=3.90802×10－３oC－１。B=－5.80195×10－７oC－２，C=－4.27350×10－１２oC－４．由式（1）和式（2）可見，要確定電阻RT與溫度T的關(guān)系，首先要確定R0的數(shù)值，R0值不同時(shí)。RT與T的關(guān)系不同．目前國(guó)內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的一般工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻R0值有100Ω和500Ω兩種，并將電阻值RT與溫度T的相應(yīng)關(guān)系統(tǒng)一列成表格，稱其為鉑電阻的分度表，分度號(hào)分別用Pt100和Pt500表示．鉑電阻在常用的熱電阻中準(zhǔn)確度最高，國(guó)際溫標(biāo)ITS－90中還規(guī)定，將具有特殊構(gòu)造的鉑電阻作為13.5033K～961.78oC標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來使用．鉑電阻廣泛用于－200～850oC范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，工業(yè)中通常在600oC以下．2．半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻是其電阻值隨溫度顯著變化的一種熱敏元件．熱敏電阻按其電阻隨溫度變化的典型特性可分為三類，即負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻和臨界溫度電阻器（CTR）．PTC和CTR型熱敏電阻在某些溫度范圍內(nèi)，其電阻值會(huì)產(chǎn)生急劇變化，適用于某些狹窄溫度范圍內(nèi)一些特殊應(yīng)用，而NTC熱敏電阻可用于較寬溫度范圍的所示．NTC半導(dǎo)體熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷、錳、鎳、銅等過渡金屬的氧化物，采用不同比例的配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀。墊圈狀等各種形狀．與金屬導(dǎo)體熱電阻比較，半導(dǎo)體熱敏電阻具有以下特點(diǎn)：（1）有很大的負(fù)電阻溫度系數(shù)，因此其溫度測(cè)量的靈敏度也比較高；（2）體積小，目前最小的珠狀熱敏電阻的尺寸可達(dá)φ0.2mm，故熱容量很小，可作為點(diǎn)溫或表面溫度以及快速變化溫度的。測(cè)量；（3）具有很大的電阻值（102～105Ω）因此可以忽略線路導(dǎo)線電阻和接觸電阻等的影響，特別適用于遠(yuǎn)距離的溫度測(cè)量和控制；（4）制造工藝比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜．半導(dǎo)體熱敏電阻的缺點(diǎn)是溫度測(cè)量范圍較窄．1熱敏電阻的電阻－溫度特性曲線半導(dǎo)體熱敏電阻具有負(fù)電阻溫度系數(shù)，其電阻值隨溫度升高而減小，電阻與溫度的關(guān)系可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示??????=TBARTexp（3）式中，RT為在溫度為T時(shí)的電阻值，T為絕對(duì)溫度（以K為單位），A和B分別為具有電阻量綱和溫度量綱，并且與熱敏電阻的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)．由式（3）可得到當(dāng)溫度為T0時(shí)的電阻值R0，即。-17-????????=00expTBAR（4）比較式（3）和式（4），可得?????????????????=0011expTTBRRT（5）從式（5）可以看出，只要知道常數(shù)B和在溫度為T0時(shí)的電阻值R0，就可以利用式（5）計(jì)算在任意溫度T時(shí)的RT值．常數(shù)B可以通過實(shí)驗(yàn)來確定．將式（5）兩邊取對(duì)數(shù)，則有?????????+=0011lnlnTTBRRT。（6）從式（6）可以看出，lnRT與1/T成線性關(guān)系，直線的斜率就是常數(shù)B．熱敏電阻的材料常數(shù)B一般在2000～6000K范圍內(nèi)．熱敏電阻的溫度系數(shù)αT定義如下2Tdd1TBTRRTT?=?=α（7）由式（7）以看出，αT是隨溫度降低而迅速增大．αT決定熱敏電阻在全部工作范圍內(nèi)的溫度靈敏度．熱敏電阻的測(cè)溫靈敏度比金屬熱電阻的高很多．例如，B值為4000K，當(dāng)T=293.15K（20oC）時(shí)，熱敏電阻的αT=4.7%/oC，約為鉑電阻的12倍．。3．PN結(jié)溫度傳感器PN的檢測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)裙δ埽畬?shí)驗(yàn)表明，在一定的電流模式下，PN結(jié)的正向電壓與溫度之間具有很好的線性關(guān)系．）和硅（正向電壓隨溫度的變化根據(jù)PN結(jié)理論，對(duì)于理想二極管，只要正向電壓UF大于幾個(gè)kBT/e（kB為波爾茲曼常數(shù)。e為電子電荷）．其正向電流IF與正向電