温度传感器论文

温度传感器论文 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

温度传感器论文

徐彬杰

（四川大学 物理学院 学号：）

摘要: 温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。测温传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的传感器。传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。半导体传感器是利用某些半导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的。半导体具有很宽的温度反应特性,各种半导体的温度反应区段不同。本文主要论述了通过使用DH-SJ5温度传感器实验装置探究几种不同类型的温度传感器的原理和温度特性。本文主要讨论了DH-SJ5通过使用DH-SJ5温度传感器实验装置探索一些不同类型的温度传感器原理及温度特性。 关键词：温度传感器，DH-SJ5恒温装置，九孔板

一、温度传感器概述

温度是一个基本的物理量,自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。在半导体技术的支持下,相继开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传感器和集成温度传感器。

二 、温度传感器的类型

电阻式传感器

热电阻式传感器是利用导电物体的电阻率随温度而变化的效应制成的传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。它分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

Rt=R t0[1+α (t-t 0)]

式中，R t 为温度t 时的阻值；R t0为温度t 0（通常t 0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热敏电阻的阻值和温度关系为 t

B t Ae R

式中R t 为温度为t 时的阻值；A 、B 取决于半导体材料的结构的常数。

常用的热电阻有铂热电阻、热敏电阻和铜热电阻。其中铂电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

金属铂具有电阻温度系数大，感应灵敏；电阻率高，元件尺寸小；电阻值随温度变化而变化基本呈线性关系；在测温范围内，物理、化学性能稳定，长期复现性好，测量精度高，是目前公认制造热电阻的最好材料。但铂在高温下，易受还原性介质的污染，使铂丝变脆并改变电阻与温度之间的线性关系，因此使用时应装在保护套管中。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，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，电阻变化率为Ω/℃，TCR=(R 100-R 0)/(R 0×100) ，R 0为0℃的阻值，R 100为

100℃的阻值，按IEC751国际标准，温度系数TCR=，Pt100（R 0=100Ω）、Pt1000（R 0=1000Ω）为统一设计型铂电阻。铂热电阻的特点是物理化学性能稳定。尤其是耐氧化能力强、测量精度高、应用温度范围广，有很好的重现性，是中低温区（-200℃～650℃）最常用的一种温度检测器。

热敏电阻(Thermally Sensitive Resistor,简称为Thermistor),是对温度敏感的电阻的总称，是一种电阻元件，即电阻值随温度变化的电阻。一般分为两种基本类型：负温度系数热敏电阻NTC （Negative Temperature Coefficient ）和正温度系数热敏电阻PTC （Positive Temperature Coefficient ）。NTC 热敏电阻表现为随温度的上升，其电阻值下降；而PTC 热敏电阻正好相反。

NTC 热敏热电阻大多数是由Mn(锰)、Ni(镍)、Co(钴)、Fe(铁)、Cu(铜)等金属的氧化物经过烧结而成的半导体材料制成。因此，不能在太高的温度场合下使用。不竟然，其使用范围有的也可以达到了-200℃～700℃，但一般的情况下，其通常的使用范围在-100℃～300℃。

NTC 热敏热电阻热响应时间一般跟封装形式、阻值、材料常数（热敏指数）、热时间常数有关。材料常数（热敏指数）B 值反映了两个温度之间的电阻变化，热敏电阻的特性就是由它的大小决定的，B 值（K ）被定义为：

2

121212111lg lg 3026.211ln ln T T R R T T R R B --?=--=；R T1：温度?T 1（K ）时的零功率电阻值；R T2：温

度T 2（K ）时的零功率电阻值；T 1，T 2：两个被指定的温度（K ）。对于常用的NTC 热敏电阻，B 值范围一般在2000K ～6000K 之间。热时间常数是指在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的%时所需的时间。热时间常数与NTC 热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。这两种热敏电阻均具有特定的特点和优点，以应用于不同的领域。

而铜（Cu50）热电阻测温范围小，在-50~150℃范围内，稳定性好,便宜;但体积大,机械强度较低。铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150℃易被氧化。通常用于测量精度不高的场合。铜电阻有R 0=50Ω和R 0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Cu50的应用最为广泛。 半导体温度传感器

PN 结半导体温度传感器是利用半导体PN 结的温度特性制成的。 其工作原理是PN 结两端的电压随着温度的升高而减少。PN 结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧等特点，尤其是温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时讯号处理等方面，乃是其它温度传感器所不能比拟的。目前结型温度传感器主要以硅为材料，原因是硅材料易于实现功能化，即将测温单元和恒流、放大等电路组合成一块集成电路。

美国Motorola 公司在1979年就开始生产测温晶体管及其组件，如今灵敏度高达100mV ／℃、分辨率不低于℃的硅集成电路温度传感器。但是以硅为材料的这类温度传感器也不是尽善尽美的，在非线性不超过标准值％的条件下，其工作温度一般为-50℃～150℃，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，如果采用不同材料如锑化铟或砷化镓的PN 结可以展宽低温区或高温区的测量范围。八十年代中期我国就研制成功SiC 为材料的PN 结温度传感器，其高温区可延伸到500℃，并荣获国际博览会金奖。

晶体温度传感器

晶体温度传感器是利用晶体的各向异性，并通过选择适当的切割角度切割而成，这是一种可将温度转换成频率的传感器，这种传感器用于计算机测量时可省去模数转换。因此，适合于计算机测温的应用。

非接触型温度传感器

非接触型温度传感器是利用物体表面散发出来的光或热来进行测量的。常用的非接触型传感器多数是红外传感器，适合于高速运行物体、带电体、高温及高压物体的温度测量。这种红外测温传感器具有反应速度快、灵敏度高、测量准确、测温范围广泛等特点。

热电式传感器

1、热电偶测温基本原理将两种不同的金属丝一端熔合起来，如果给它们的连结点和基准点之间提供不同的温度，就会产生电压，即热电势。这种现象叫做塞贝克效应。

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图2-1所示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便

产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为

热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的，属有源传感

器。它能将温度直接转换成热电势。热电偶是工业上最常用

的温度检测元件之一。其优点是：

（1）测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受

中间介质的影响。

（2）测量范围广。测温范围极宽、从-270℃的极低温度到

2600℃的超高温度都可以测量，而且在600℃～2000℃的温图2-1 度范围内可以进行精确的测量（600℃以下时，铂电阻的测量精度更高）。某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

（3）构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

（4）测温精度高、准确、可靠、性能稳定、热惯性小。通常用于高温炉的测量和快速测量方面。

2、热电偶的种类及结构形成

(1)热电偶的种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

(2)热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固。

②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路。

③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠。

④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

3、热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修

≠0℃时对测温的影响。

正方法来补偿冷端温度t

在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

光纤温度传感器

光纤温度传感器分为相位调制型光纤温度传感器（灵敏度高）、热辐射光纤温度传感器（可监视一些大型电气设备，如电机、变压器等内部热点的变化情况）和传光型光纤温度传感器（体积小、灵敏度高、工作可靠、易制作）。

液压温度传感器

这种传感器流体受热会产生膨胀，膨胀程度与所加的热量成正比。在根据液压原理制成的温度传感器中，最普通的就是大家熟悉的水银温度计。

智能温度传感器

智能温度传感器由于在一个芯片上集成有温度传感器、处理器、存储器、A/D转换器等部件。因此，这类传感器具有判断和信息处理能力，并可对测量值进行各种修正和误差补偿，同时还带有自诊断、自校准功能，可大大提高系统的可靠性，并能和计算机直接联机。三、DH-SJ5温度传感器实验装置

概述

DH-SJ5型温度传感器实验装置是以分离的温度传感器探头元器件，单个电子元件，以九孔板为实验平台来测量温度的设计性实验装置。该实验装置提供了多种测温方法，自行设计测温电路来测量温度传感器的温度特性。实验配有铂电阻Pt100、热敏电阻（NTC和PTC）、铜电阻Cu50、铜-康铜热电偶、PN结、AD590和LM35等温度传感器。本实验装置采用智能温度控制器控温。具有以下的特点：

1、控温精度高、范围广、加热所需的温度可自由设定，采用数字显示。

2、使用低电压恒流加热、安全可靠、无污染。加热电流连续可调。

3、本仪器提供的是单个分离的温度传感器，形象直观，给实验带来了很大的方便，可对不同传感器的温度特性进行比较，更易于掌握它们的温度特性。

4、采用九孔板作为实验平台，提供设计性实验。

5、加热炉配有风扇，在做降温实验过程中可采用风扇快速降温。

6、整体结构设计新颖，紧凑合理，外型美观大方。

主要技术指标

1、电源电压：AC220V±10%(50/60H

)

Z

2、工作环境：温度0～40℃，相对湿度＜80%的无腐蚀性场合

3、控温范围：室温~120℃

4、温度控制精度：±℃

5、分辩率：℃

6、控制方式：先进的PID控制

温控仪与恒温炉的连线

图3-1

Pt100的插头与温控仪上的插座颜色对应得相连接。红→红；黄→黄；蓝→蓝。

四、课题研究

本课题将进行四个实验，分别研究了热电阻温度传感器（Pt100铂电阻、Cu50铜电阻和热敏电阻（NTC 和PTC ））的温度特性及其测温原理；研究热电偶的温差电动势；PN 结正向压降与温度关系的研究和应用；集成温度传感器（AD590和LM35）的测温原理，及其温度特性。其中本论文着重介绍电阻温度传感器的温度特性。

五、实验设计和探究

５.１

１.pt100铂电阻的测温原理

金属铂(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，电阻变化率为Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，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，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。

按IEC751国际标准， 温度系数TCR=，Pt100（R 0=100Ω）、Pt1000（R 0=1000Ω）为统一设计型铂电阻。

TCR=(R100-R0)/(R0×100) （1）

100℃时标准电阻值R100=Ω。100℃时标准电阻值R1000=Ω。

Pt100铂电阻的阻值随温度变化而变化计算公式：

-200

（2）

0

R t 在t℃时的电阻值；R 0时的电阻值 。式中A 、B 、C 的系数各为： A=×10-3C -1 ；B=×10-7C -2 ；C=×10-12C -4。

由（3）式可知，在0℃～100℃时，pt100的电阻R t 大小与温度t 是成二次函数关系的，二次项系数为ＢR 0 ，一次项系数为A R 0 2、热敏电阻温度特性原理(NTC 型)

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。负温度系数的热敏电阻(NTC)的电阻率随着温度的升高而下降(一般是按指数规律)；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；金属的电阻率则是随温度的升高而缓慢地上升。热敏电阻对于温度的反应要比金属电阻灵敏得多，热敏电阻的体积也可以做得很小，用它来制成的半导体温度计，已广泛地使用在自动控制和科学仪器中，并在物理、化学和生物学研究等方面得到了广泛的应用。

在一定的温度范围内，半导体的电阻率和温度T 之间有如下关系： T B e A /1=ρ (5)

式中A 1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R T 可用下式表示：

s

l R T ρ= (6) 式中R T 的单位为Ω，的单位为Ωcm ，l 为两电极间的距离，单位为cm ，S 为电阻的横截面积，单位为cm 2。将(5)式代入(6)式，令s

l A A 1=，于是可得：

T /B T Ae R = (7)

对一定的电阻而言，A 和B 均为常数。对(7)式两边取对数，则有 A T

B

R T ln 1

ln += (8) T R ln 与

T

1

成线性关系，在实验中测得各个温度T 的R T 值后，即可通过作图求出B 和A 值，代入(7)式，即可得到R T 的表达式。式中R T 为在

温度T(K)时的电阻值(Ω)，A 为在某温度时的电阻值(Ω)，B 为常数(K)，其值与半导体材料的成分和制造方法有关。

图5-1表示了热敏电阻(NTC)与普通电阻的不同温度

特性。

3、Cu50铜电阻温度特性原理

铜电阻是利用物质在温度变化时本身电阻 图5－１ 生变化的特性来测量温度的。铜电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度 是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。 ５.２实验过程

1.方法：我们采用了用万用表直接测量法，改变温度，用万用表测出温度传感器电阻，并记录下来。实验的电

路图:

2.操作：将温度传感器直接插在温度传感器实验装置的恒温炉中。在传感器的输出端用数字万用表直接测量其电阻值。本实验的热敏电阻NTC 温度传感器25℃的阻值5K Ω；PTC 温度传感器25℃的阻值350Ω。在不同的温度下，观察Pt100铂电阻、热敏电阻（NTC 和PTC ）和Cu50铜电阻的阻值的变化，从室温到120℃（注：PTC 温度实验从室温到100℃。），每隔5℃(或自定度数)测一个数据，将测量数据逐一记录在表格内。

3.实验数据 数据记录1

Pt100铂电阻数据记录 室温 25 ℃

数据记录2

数据记录3

PTC正温度系数热敏电阻数据记录室温 25 ℃

数据记录4

Pt100的R t- T 图

分析：横轴为温度，纵轴为电阻值。当温度T=100℃时，R t 的理论值为Ω，而从实验数据记录表格中我们可以看到，R t 的实际值为Ω，可见直接用万用表直测存在一定误差。但并不影响总体上的规律。由（3）式0

误差分析：如上所述，在T=100℃时，R t 的理论值为Ω，R t 的实际值为Ω；大致斜率K=，理论的电阻变化率Ω/℃。这两个误差是在试验中温度未必达到恒温，DH-SJ5恒温炉装置在到达设定温度前加热电流变小或者为0，但并不代表温度没有微小的变化，而要想温度一直恒定在某个值，则需要很长时间和减少外界温度影响。加之数字万用表又是很精密的仪器，在微小的电阻变动都能察觉，所以造成误差。

分析：由（8）式A T B R T ln 1

ln +=可知，T R ln 与T

1成线性关系，在实验中测得各个温

度T 的R T 值后，即可通过作图求出B 和A 值，代入(7)式，即可得到R T 的表达式。式中R T 为在温度T(K)时的电阻值(Ω)，A 为在某温度时的电阻值(Ω)，B 为常数(K)，其值与半导体材料的成分和制造方法有关。带如两组数据可以算出B=，A= 。所以热敏电阻(NTC)的Rt-T 图不成线性关系，且可以得知NTC 为负温度系数热敏电阻。现在来讨论另一正温度系数热敏电阻PTC 的温度特性。

分析：可见在80℃以前R T 和T 是呈线性变化的，且电阻变化很小，但一旦超过

80℃，R t 就随T 的增大而剧增。可以得出结论，正温度系数热敏电阻PTC 传感器温度范围小，有一定局限性。讨论了两种热敏电阻，下面看看普通金属电阻的问的特性。 分析：这是Cu50的R t –T 图。可以清楚的看到，图线是一条直线，所以R t 和T 是是呈线性关系的。这图对比热敏电阻的R t -T 图，可得到图5-3的图线，也可以了解两种电阻的温度特性的区别。 热电偶温差电动势测量与研究

1、热电偶测温原理

热电偶亦称温差电偶，是由A、B两种不同材料的金属丝的端点彼此紧密接触而组成的。当两个接点处于不同温度时(如图3-6)，在回路中就有直流电动势产生，该电动势称温差电动势或热电动势。当组成热电偶的材料一定时，温差电动势Ex仅与两接点处的温度有关，并且两接点的温差在一定的温度范围内有如下近似关系式：

E

X ≈α( t-t

) （1）

式中α称为温差电系数，对于不同金属组成的热电偶,α是不同的，其数值上等于两接点温度差为1℃时所产生的电动势。t为工作端

的温度，t

为冷端的温度。图3-6

为了测量温差电动势，就需要在图3-6的回

路中接入电位差计，但测量仪器的引入不能影响

热电偶原来的性质，例如不影响它在一定的温差

t-t

0下应有的电动势E

X

值。要做到这一点，实验

时应保证一定的条件。根据伏打定律，即在A、

B两种金属之间插入第三种金属C时，若它与

A、B的两连接点处于同一温度t

(图3-6)，则该

闭合回路的温差电动势与上述只有A、B两种金属组成回路时的数值完全相同。所以，我们把A、B两根不同化学成份的金属丝的一

图3-7 端焊在一起，构成热电偶的热端(工

作端)。将另两端各与铜引线(即第三种金属C)焊接，构成两个同温度(t

)的冷端(自由端)。铜引线与电位差计相连，这样就组成一个热电偶温度计。如图3-

7所示。通常将冷端置于冰水混合物中，保持t

= 0℃，将热端置于待测温度处，即可测得相应的温差电动势，再根据事先校正好的曲线或数据来求出温度t。热电偶温度计的优点是热容量小，灵敏度高，反应迅速，测温范围广，还能直接把非电学量温度转换成电学量。因此，在自动测温、自动控温等系统中得到广泛应用。

在本实验的热点偶为铜-康铜热点偶，属于T型热点偶。其测温范围－270～400℃；优点有：热电动势的直线性好；低温特性良好；再现性好，精度高；但是(+)端的铜易氧化。

2.实验过程

按图3-7所示原理连接线路，将热电偶的冷端置于冰水混合物中之中，确保t

=0℃。测温端直接插在恒温炉内。此过程是为了求出α

。然后开启温控仪电源，给热端加温。每隔10℃左右测一组(t，Ex)，直至100℃为止。再做一次降温测量，即先升温至100℃，然后每降低10℃测一组(t，Ex)，再取升温降温测量数据的平均值作为最后测量值。

1．热电偶定标数据记录

室温℃ E

N t= t

= 0 ℃

分析：电动势随着温度的升高而增大，并且与温度呈线性关系。这样做出了定标曲线，热电偶便可以作为温度计使用了。

集成温度传感器

1.实验原理

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值V

BE

与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：

式中，K—波尔兹常数；q—电子电荷绝对值。

集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出。电流输出型的灵敏度一般为1uA/K。

基本应用电路

图5-11是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流

与热力学温度成正比，当电阻R为1k时，输出电压V

随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把

AD590放于冰水混合物中，调整电位器R

2，使V

=。或在室温下(25℃)条件下调整电位

器,使V

=+25=（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。图5-11

数据记录1

AD590数据记录室温 25 ℃

六、结语

通过温度传感器的四个小实验，绘制出了各种温度传感器的温度特性。同时与实验原理进行对照，了解到各种温度传感器工作原理和与理论值得差距，进而分析了误差的来源。同时，还学会了更好的应用万用表和DH-SJ5恒温炉

参考文献

［1］《综合设计与创新实验说明书》。

［2］《大学物理综合实验新编》。

［3］《物理实验》。

The temperature sensor papers

Xu Bin-jie

Abstract: the temperature is hot and cold degree of physical objects characterization. Temperature can only through the object with temperature changes to some characteristics of the indirect measurement. Temperature sensor is converted into easy to transfer temperature information and processing of the sensor signal. Sensors are information technology in the forefront of the highly sophisticated products, especially the temperature sensor is widely used in industrial and agricultural production,

scientific research and life, and other fields, high quantity of the sensor. Semiconductor sensor is using some of the semiconductor resistor with temperature changes made of characteristics. Semiconductor the wide temperature response characteristics, all kinds of semiconductor temperature response different section. This paper mainly discusses the DH-SJ5 through the use of the temperature sensor experiment device explore several different types of temperature sensor principle and temperature characteristic.

Keywords: temperature sensor, DH-SJ5 constant temperature device, nine orifice plate