大学物理实验-温度传感器实验报告

关于温度传感器特性的实验研究

摘要：温度传感器在人们的生活中有重要应用，是现代社会必不可少的东西。本文通过控制变量法，具体研究了三种温度传感器关于温度的特性，发现NTC电阻随温度升高而减小；PTC电阻随温度升高而增大；但两者的线性性都不好。热电偶的温差电动势关于温度有很好的线性性质。PN节作为常用的测温元件，线性性质也较好。本实验还利用PN节测出了波尔兹曼常量和禁带宽度，与标准值符合的较好。

关键词：定标 转化 拟合 数学软件

EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE NATURE OF TEMPERATURE SENSOR

1.引言

温度是一个历史很长的物理量，为了测量它，人们发明了许多方法。温度传感器通过测温元件将温度转化为电学量进行测量，具有反应时间快、可连续测量等优点，因此有必要对其进行一定的研究。作者对三类测温元件进行了研究，分别得出了电阻率、电动势、正向压降随温度变化的关系。 2.热电阻的特性 2.1实验原理

2.1.1Pt100铂电阻的测温原理

和其他金属一样，铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性。利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω（即Pt100）。铂电阻温度传感器精度高，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器，本实验即采用这种铂电阻作为标准测温器件来定标其他温度传感器的温度特性曲线，为此，首先要对铂电阻本身进行定标。 按IEC751国际标准，铂电阻温度系数TCR定义如下：

TCR=(R100-R0)/(R0×100) (1.1)

其中R100和R0分别是100℃和0℃时标准电阻值（R100=138.51Ω，R0=100.00Ω），代入上式可得到Pt100的TCR为0.003851。

Pt100铂电阻的阻值随温度变化的计算公式如下：

Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] (-200℃

式中Rt表示在t℃时的电阻值，系数A、B、C为：A=3.908×10?3℃?1；B=-5.802×10?7℃?2；C=-4.274×10?12℃?4。

因为B、C相较于A较小，所以公式可近似为：

Rt=R0（1+At） (0℃

为了减小导线电阻带来的附加误差，在本实验中，对用作标准测温器件的Pt100采用三线制接法。

2.1.2热敏电阻温度特性原理

热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻，它有负温度系数和正温度系数两种。负温度系数热敏电阻(NTC)的电阻率随着温度的升高而下降；而正温度系数热敏电阻(PTC)的电阻率随着温度的升高而升高。下面以NTC为例分析其温度特性原理。 在一定的温度范围内，半导体的电阻率ρ和温度T之间有如下关系：

ρ=??1????/?? (1.4)

式中A1和B是与材料物理性质有关的常数，T为绝对温度。对于截面均匀的热敏电阻，其阻值RT可用下式表示：

RT=ρs (1.5)

将(1.4)式代入(1.5)式，令A=A1l/s，于是可得：

RT=AeB/T (1.6)

对一固定电阻而言，A和B均为常数。对(1.6)式两边取对数，则有

lnRT=B+lnA (1.7)

T1

l

可以发现lnRT与T成线性关系，在实验中测得各个温度T下的RT值后，即可通过作图求出B和A值，代入(1.7)式，即可得到RT的表达式。式中RT为元件在温度T(K)时的电阻值(Ω)，A为在某一较大温度时元件的电阻值(Ω)，B为常数(K)，其值与半导体材料的成分和制造方法有关。

热敏电阻的温度系数αT定义为:

1

αT=

1dRTRTdT

(1.8)

2.2实验内容

(1)运用冰水混合物和沸水对Pt100进行标定;

(2)以Pt100作为标准测温器件来定标实验室中的NTC温度传感器，温度范围控制在室温到100℃之间。基于实验数据给出该器件的电阻温度曲线，并研究温度系数随温度的变化关系; (3)用类似的方法研究PTC的电阻温度关系，结合实验数据寻找实验室提供的PTC器件的电阻温度关系的经验公式，并研究其温度系数。 2.3实验结果与讨论 2.3.1Pt100的定标

观察Pt100的电阻关于温度的函数关系式，发现电阻与温度近似成线性关系。因此，将Pt100分别浸入冰水混合物和沸水中，读出Pt100测得的温度，完成测量温度与实际温度之间的换算。

经测量，有如下结果：

0 100 实际温度/℃ 测温元件示数/℃ 由此得出t实与t测之间的关系：

t实=1.05t测?1.37 (SI)

2.3.2NTC温度特性研究

将Pt100作为测温元件，改变温度，测量NTC的电阻变化，得到如下数据： t测/℃ 25.6 30.0 35.0 40.0 t实/℃ 25.51 30.13 35.38 40.63 T/K 298.66 303.28 308.53 313.78 R/kΩ 4.545 3.844 3.170 2.640 lnR 8.4218 8.2543 8.0615 7.8785 ?3/×10 T11.3 96.4 3.3483 3.2973 3.2412 3.1870 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 85.0 90.0 95.0 100

45.88 51.13 56.38 61.63 66.88 72.13 77.38 82.63 87.88 93.13 98.38 103.6 1

319.03 324.28 329.53 334.78 340.03 345.28 350.53 355.78 361.03 366.28 371.53 376.75 2.202 1.838 1.546 1.305 1.100 0.941 0.807 0.6892 0.5927 0.5079 0.4389 0.3827 7.6971 7.5164 7.3434 7.1740 7.0031 6.8469 6.6933 6.5355 6.3847 6.2303 6.0843 5.9473 3.1345 3.0838 3.0346 2.9870 2.9409 2.8962 2.8528 2.8107 2.7699 2.7302 2.6916 2.6543 运用数学软件画出lnR关于的图像，如下图所示：

T

由此可得：

lnR=

则A=e?3.80=0.0224，B=3670K.

3670

?3.80 T3670T

RT=0.0224eαT=R

1dRTTdT

(SI) (SI)

=?

3670T2

运用数学软件，可画出温度系数随温度的变化曲线：

由图可得，NTC的温度系数为负，说明NTC的电阻随温度的升高而减小，又温度系数的绝对值不断减小，说明NTC电阻的电阻减小幅度不断减小。

2.3.3PTC温度特性研究

PTC电阻关于温度的测量数据如下：

t测/℃ 25.6 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 85.0 90.0 t实/℃ 25.51 30.13 35.38 40.63 45.88 51.13 56.38 61.63 66.88 72.13 77.38 82.63 87.88 93.13 T/K 298.66 303.28 308.53 313.78 319.03 324.28 329.53 334.78 340.03 345.28 350.53 355.78 361.03 366.28 R/Ω 400.4 402.0 407.2 416.8 431.6 454.0 486.5 530.1 595.6 690.8 843 1082 1420 2330 95.0 100 98.38 103.6 371.53 376.75 4720 10490 运用作图软件可将这些点在图上描绘出来：

运用拟合的手段，可得出PTC电阻的大致表达式：