温度传感实验

实验33　温度传感实验

【实验目的】

（1）掌握测温元件的温度特性及其测量方法；

（2）了解各测温元件的工作原理；

（3）学会对温度测量电路的设计与调节。

【实验仪器】

本实验仪器主要有温度传感技术实验仪、温度控制加热炉、Pt100、AD590集成温度传感器、硅三极管9014（PN结）、数字万用表、电阻箱。

【实验原理】

1.测温元件的测温原理

温度传感器种类较多，本实验主要使用四种常用的测温元件：铜电阻Cu50、铂电阻Pt100、晶体管PN结和AD590集成温度传感器。它们的测温原理分别如下：

1）铜电阻Cu50

铜电阻是热电阻式传感器，温度线性好，但在高温下容易氧化，是工业上常用的低温测温元件。其测温原理是基于金属导体的电阻随温度变化的特性，其电阻与温度的关系在-50～150℃范围内基本是线性的，即

式中R_t、R₀是铜电阻在t℃、0℃时的阻值；α是温度系数，α＝4.28×10_-3/℃，正温度系数。本实验用的Cu50在0℃时的阻值R₀＝50Ω。

2）铂电阻Pt100

铂电阻是热电阻式传感器，温度线性好，精度高、稳定性好、测温范围大，是工业上常用的测温元件。其测温原理是基于金属导体的电阻随温度变化的特性，其电阻与温度的关系在0～150℃范围内基本是线性的，即

式中R_t、R₀是铂电阻在t℃、0℃时的阻值；α是温度系数，α＝3.908×10_-3/℃，正温度系数。本实验用的Pt100在0℃时的阻值R₀＝100Ω。

3）AD590集成温度传感器

AD590是一种输出电流与温度成正比的集成温度传感器，线性好，测温准确，常用来测温。AD590相当于一个恒流源，在5～30V的直流工作电源下，输出电流I_{AD 590}与被测温度T（绝对温度）的关系为：

式中K₀为测温灵敏度常数，K₀＝1μA/℃。

4）PN结测温元件

晶体管PN结的端电压随温度的升高而降低（负温度系数），可做温度传感器，具有线性好、体积小、反应快、低廉等优点，在许多仪表中用来做温度补偿。

流过晶体管PN结电流与其两端间的电压U满足以下的指数关系：

式中q为电子电荷，k为波尔兹曼常数，T是结温（绝对温度值）。晶体管PN结伏安特性随温度

变化如图5-33-1所示。

硅三极管（如9014）的基极—射极电压U_be与温度t的关系在-50～150℃范围内基本为线性，如果集电极电流I_C＝50μA，则温度系数α＝-2.3mV/℃，负温度系数。

图5-33-1　3DK7Cbe结伏安特性随温度变化

图5-33-2　恒流源桥式测温电路

2.测温电路的设计与调节

测温电路的作用是将随温度变化的物理量（如电阻）转化为电压变量。为了提高测温灵敏度，用放大器将电压信号放大；如果要做成温度计，还要对温度刻度定标。

1）Pt100、Cu50和PN结测温电路

如图5-33-2所示，电阻测温电路是由含热敏元件的恒流源非平衡电桥输入电路及差分运放电路组成。恒流源非平衡电桥和恒流源I_S的工作原理见实验37，只是为了方便，将菱形电桥画成了图5-33-2所示的垂直矩形电桥。

若R₄》R₁、W₀、R_t，忽略R₄分流作用，则V_b＝I_SR_t，与热敏电阻R_t成正比；V_a＝为差分比较常数。差分放大器输出电压为：

由（5-33-5）式可知，输出电压V₀与热敏电阻R_t成线性关系，而Pt100和PN结的R_t与温度t又成线性关系，因此电压V₀随温度t线性变化。

图5-33-3　AD590测温电路

如果将热敏电阻R_t放到冰水混合的水中（0℃），调节电阻W₀改变V_a，使输出电压V₀＝0，然后将R_t放到100℃的水中，调节电阻W₁₀₀，使输出电压V₀＝100mV，这就完成了对温度计的定标，温度系数为1mV/℃。只要知道输出电压V₀，就直接知道了温度，如V₀＝50mV，则t＝50℃。

2）AD590测温电路

AD590是一种线性测温元件，它的测温电路可直接用运算放大器组成，如图5-33-3所示。

稳压管DW产生稳定电压V_Z，则电位器W₀流过恒定电流I₁，I₁＝V_Z/W₀。由（5-33-3）式和图5-33-3电流关系可得：

I₀＝I_AD590-I₁＝K₀T-I₁＝K₀（273.2＋t）-I₁

因此，运放输出电压V₀为：

式中t为t℃的温度。

由（5-33-6）式可知，若把AD590放到t＝0℃的冰水中，调节W₀改变I₁使V₀＝0，即调零则当AD590为t℃时，运放输出电压V₀为：

V₀＝I₀R₂＝K₀R₂t＝K_′0t（5-33-7）

将AD590放到t＝100℃的开水中时，因R₂＝1kΩ，V₀＝K₀R₂t＝100mV，这样只要校准0℃就完成了温度定标，温度系数K′₀为1mV/℃。只要知道输出电压V₀，就直接知道了温度，如V₀＝50mV，则t＝50℃。

【温度传感实验仪简介】

如图5-33-4所示，温度传感实验仪面板分三个部分：最左边是电阻温度传感器（如Pt100、CU50）测温部分，中间是AD590测温部分，右边是PN结伏安特性测试部分。面板上有测试孔和调节电位器。

图5-33-4　温度传感实验仪

【实验内容】

1.Pt100温度特性与测温实验

（1）温度校准与定标：本来温度定标要在0℃和100℃的水中进行，但0℃和100℃的水不易制备和保存，为了简便，用电阻箱模拟传感器0℃和100℃的阻值来定标。根据（5-33-1）式，从理论上计算Pt100在0℃和100℃的电阻值R₀和R₁₀₀。电阻箱与测量面板“电阻传感器R_t输入端”相连，数字万用表与“测温输出端V₀”相连。将电阻箱调到R₀阻值，调节“调零”电位器W₀，使输出电压V₀＝0；然后将电阻箱调到R₁₀₀阻值，调节“调100度”电位器W₁₀₀，使输出电压V₀＝100mV。再将电阻箱调回到R₀阻值，看是否V₀＝0，若不是，再调W₀，使V₀＝0；再将电阻箱调回到R₁₀₀阻值，看是否V₀＝100mV，若不是，再调W₁₀₀，使V₀＝100mV。因为调零和调100度时电路会相互牵连，一般要反复调几次，才能调准。

（2）测量：将加热炉中Pt100传感器与面板“电阻传感器R_t输入端”相连。将加热炉温度设定为35℃，开启电源加热，当达到设定温度（加热灯熄灭）时，读万用表电压值，数据记录于表5-33-1中。然后将炉温设定为表5-33-1中其他温度，测出其他电压。

表5-33-1　Pt100测温实验数据表

2.AD590温度特性与测温实验

（1）温度定标：用电阻箱电阻R_X代替AD590校正零点（t＝0℃）。电阻箱与实验仪面板“AD590输入端”相连，数字万用表与“测温输出端V₀”相连。先用万用表测出AD590电源电压-V_{C C}，R_X＝V_{C C}（V）/273.2（μA），然后将电阻箱调到R_X阻值，调节“AD590调零”电位器W₀，使输出电压V₀＝0。

图5-33-5　PN结伏安特性测试电路

（2）测量：AD590传感器与实验仪面板“AD590输入端”相连。将加热炉温度设定为35℃，开启电源加热，当达到设定温度（加热灯熄灭）时，读出万用表电压值，然后将加热炉温度设定为其他温度，测出相应的电压，数据记于自拟的数据表中（参照表5-33-1）。

3.PN结伏安特性、温度特性实验

按图5-33-5将PN结（如9014）接入实验仪中，接成电流电压变换电路。此时电压表V₁读数（用万用表测量）即为PN结两端的电压值V_{b e}，电压V₀除以R（R＝1K）即为流过PN结电流，I＝V₀/R＝V₀（mA）。PN结在室温下，调节W改变V_{b e}，例如使PN结电流I分别为0.05mA、0.10mA、0.20mA、0.30mA、0.40mA、0.60mA、0.80mA、1.00mA、1.50mA、2.00mA、2.50mA，等等，将V_{b e}和V₀记于表5-33-2中。最大电流I不要超过3.5mA，以免烧坏PN结。

表5-33-2　PN结测温实验数据表

将PN结温度恒定为65℃，重复上述步骤实验（选做）。

【数据处理】

（1）根据测得的数据，在坐标纸上画出Pt100的V₀-t曲线和R_t-t曲线，求出斜率；从R_t-t曲线上找出t＝50℃的R_t，求出与理论公式（5-33-2）计算的R_t的相对误差，分析误差原因。

（2）根据测得的数据，在坐标纸上画出AD590的I₀-t曲线，求出斜率；从曲线上找出t＝50℃的I₀，求出与理论公式（5-33-3）计算的I₀的相对误差，分析误差原因。

（3）根据测得的数据，在坐标纸上画出PN结的I-V_{b e}曲线（标明测量温度），并讨论分析。

预习思考题

（1）实验所用温度传感器中，哪些温度传感器是正温度系数？哪些温度传感器是负温度系数？

（2）在调节温度传感器的零点和100℃时，为什么要先调节零点，后调100℃？

思　考　题

根据（5-33-2）式，从理论上计算Pt100在0℃和100℃的电阻值R₀和R₁₀₀。