81-FD-BHM-A温度传感器特性及人体温度测量实验仪使用说明(080626

仪器使用说明

TEACHER'S GUIDEBOO

FD-BHM-A

温度传感器特性及人体温度测量实验仪

中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司

Shanghai Fudan Tianxin Scientific & Education Instruments Co.,Ltd.

FD-BHM-A温度传感器特性及人体温度测量实验仪使用说明

“温度”是一种重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要。在医学上，体温的测量对疾病的判断相当重要，所以温度传感器应用广泛。温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。一般把金属热电阻简称为热电阻，把半导体热电阻称为热敏电阻。 一、仪器组成

温度传感器特性及人体温度测量实验仪由高准确度控温恒温加热系统、恒流源、直流稳压电源、Pt100温度传感器、NTC1K热敏电阻温度传感器、PN结温度传感器、电压型集成温度传感器LM35、数字电压表、可调放大器、插接线等组成。常用的温度传感器的类型和作用见表1。 表1常用的温度传感器类型与作用

类型 传感器 测温范围/℃ 特点

热电阻铂电阻 -200—650 铜电阻

-50—150

准确度高、测量范围大

半导体热敏电阻 -50—150 电阻率大、温度系数大、 线性差、一致性差 铂铑-铂 （S）

0—1300 0—1600 0—1000 -200—750 -40—600

用于高温测量、低温测量两大类、应用不方便（零点补偿）

热电偶铂铑-铂铑（B） 镍铬-镍硅（K） 镍铬-康铜（E） 铁-康铜 （J）

其它PN结 -50——150 体积小、灵敏度高、线性好、一

致性差

IC温度传感器 -50——150 线性度好、一致性好

二、技术指标

1.实验电源 +5V 0.5A

2. 数字电压表 量程0-1.999V;分辨率0.001V

3. TCF708智能控温仪 测温量程0—100.0℃；分辨率0.1℃;控温准确度±0.1℃;；测温准确

度±3%。

4．干井式恒温加热炉 环境温度～100.0℃。

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5. 电源电压 AC 220V±10%;功耗＜60W 6.水银体温表 医用级口腔表 三、仪器外型与结构 仪器面板排列如图1

FD-BHM-A温度传感器特性及人体温度测量实验仪+V数字电压表V°C°C-TCF708控温仪NTC型热敏电阻;PN结 NTC+5VPN结特性测量温度测量集成电压型（LM35)特性测量+5VUo温度测量加热系统加热井+5V校正校正URt恒流源恒流源Ube.c+5V-+（校正后）V+UoV- (校正前）+5V-+ NTC 1KRtURePN结Uo（校正后）-5VR-5V放大器加热井散热1K放大器ONOFF000.0调零000实验电源ONOFF+5V0上海复旦天欣科教仪器有限公司

图1

本仪器通电后除了测量仪表、放大器及实验电源外,实验电路要插上仪器提供的直流稳压电源（+5V）后才能工作。加热前先调好控温仪（由实验指导老师预先调好：设好预定温度，首次应用在60.0℃进行PID自适应整定。医学院学生应在37.0℃进行PID自适应整定，37.0℃用水银体温表校正）。如何操作控温仪请参考控温仪说明书。按面板电路图指示插好实验电路，将控温传感器（Pt100）插入干井式恒温加热炉的一个井孔，待测传感器插入另一井孔就能进行实验（为节省时间可同时进行多种传感器的实验，只要把数字电压表分别测量待测传感器输出即可）。 *实验内容与要求请参考实验讲义

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温度传感器的特性及人体温度测量实验

实验一：PN结温度传感器的温度特性测量及应用 【实验目的】

1.在恒定小电流条件下， 测量PN结温度传感器正向电压与温度的关系，求出PN结温度传感器的灵敏度与相关系数;

2. 用PN结温度传感器、放大电路和数字电压表组装数字式电子温度表，并对数字式温度表进行校正（用医用级水银温度计作标准）；

3. 用组装数字式电子温度表（PN结温度传感器）进行人体各部位（眉心；腋下；手心；下肢）温度分布情况的测量,口腔用水银体温表(需用酒精消毒)，了解人体各部分的温差。

【实验仪器】

FD-BHM-A温度传感器特性及人体温度测量实验仪、（可控温数显干井式恒温加热系统、PN结温度传感器、可调整放大器、数字电压表、插接线，医用级口腔表等）。 【实验原理】

PN结温度传感器

PN结温度传感器是利用半导体PN结的正向结电压对温度依赖性，实现对温度检测的，实验证明在一定的电流通过情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。通常将硅三极管b、c极短路，用b、e极之间的PN结作为温度传感器测量温度。硅三极管基极和发射极间正向导通电压Ube一般约为600mV（25℃），且与温度成反比。线性良好，温度系数约为-2.3mV/℃,测温精度较高，测温范围可达-50——150℃。

通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足（1）式

qU I?IS?e/kT?1 （1）

?在常温条件下，且U>0.1V时，（4）式可近似为

I?ISeqU/kT （2）

（1）、（2）式中:

电子电量q?1.602?10?19C;玻尔兹曼常数k?1.381?10?23J/KT 为热力学温度 Is 为反向饱和电流

正向电流保持恒定且电流较小条件下，PN结的正向电压U和热力学温度T近似满足下列线性关系

U=BT+Ugo （3）

（3）式中Ugo为半导体材料在T=0K时的禁带宽度，B为PN结的结电压温度系数。 实验测量如图1。图中用AD590(恒流源)使流过PN结的电流约为300μA（25℃）。

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图1 【实验内容】

PN结温度传感器温度特性的测量及应用

⑴. 将控温传感器Pt100铂电阻插入干井式恒温加热炉中心井，PN结温度传感器插入干井式恒温加

热炉另一个井内。按要求插好连线。从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10.0℃控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压Ube的测量，

⑵．制作电子温度计：将PN结的Ube随温度变化的电压（负温度系数-2.3mV/℃）通过放大电路（放

大电路不作详细介绍）转化为正温度系数10mV/℃的电压输出，并将输出电压与标准温度进行对比校准，即可制成电子温度计。插上PN结实验电路电源（+5V），将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉中心井，用水银体温表对控温传感器Pt100铂电阻进行37.0℃的校正，控温仪作37.0℃的自适应整定。调整电路的校正与调零电位器，使输出电压与温度变化同步（即温度每1℃输出电压变化10mV）。测量电子温度计的线性度（从35.0℃--42.0℃），每隔0.5℃测量一次，到42.0℃止。

(3)进行人体各部位（腋下、眉心、手掌内）的温度测量（除口腔外）并与水银体温表测量口腔（口

腔表）的温度进行比较，了解人体各部位温差的原因。 【实验数据】

*本实验所用传感器与仪器出厂所配传感器性能有一定差异，实验数据仅供参考

表1 PN结正向导通电压Ube与温度的关系

t/℃ 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 Ube/V 0.5856 0.5636 0.5427 0.5212 0.4989 0.4768 0.4548 用最小二乘法直线拟合，求出结果。

温度系数K= -0.0022V/℃ 相关系数r=0.9999 *如需节省时间，可每隔5.0℃控温系统设置一次。

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表2 用PN结自制电子温度计与标准温度计示值比较

t/℃ 35.0 35.5 36.1 36.6 37.2 37.7 38.02 38.56 38.9 39.3 39.9 40.6 41.2 41.7 42.2 t1/℃ 35.0 35.4 35.9 36.4 37.0 37.5 38.0 38.5 39.1 39.5 40.1 40.7 41.1 41.5 42.2 （口腔表）

Δt/℃

0.0 +0.1 +0.2 +0.2 +0.2 +0.2 +0.2 +0.1 -0.2 -0.2 -0.2 -0.1 +0.1 +0.2 0.0 表2中Δt=t1-t,t1为口腔表读数，t为自装数字温度表读数。由于存在着控温精度的调整和温度传感器与井式炉的热接触问题，在35℃-42℃温度范围内有一定的误差。 实验二： 电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测量及应用 【实验目的】

1. 测量电压型温度传感器（LM35）输出电压与温度的关系，求出LM35温度传感器的灵敏度与相关系数;

2. 用LM35温度传感器、放大电路和数字电压表组装数字式电子温度表，并对数字式温度表进行校正（用医用级水银温度计作标准）；（选做）

3. 用组装数字式电子温度表（LM35温度传感器）进行人体各部位（眉心；腋下；手心；下肢）温度分布情况的测量,口腔用水银体温表(需用酒精消毒)，了解人体各部分的温差。(选做)

【实验仪器】

FD-BHM-A温度传感器特性及人体温度测量实验仪、（可控温数显干井式恒温加热系统、LM35温度传感器、可调整放大器、数字电压表、插接线，医用级口腔表等）。 【实验原理】

LM35集成电压型温度传感器

LM35温度传感器，标准T0-92工业封装，由于其输出的是与温度对应的电压(10mV/℃)，且线性极好，故只要配上电压源，数字式电压表就可以构成一个精密数字测温系统。输出电压的温度系数K=10.0mV/℃，利用下式可计算出被测温度t（℃）: Uo=Kt=(10mV/℃)t

即 t= Uo/K （1）

LM35温度传感器的电路符号见图4，Uo为输出端

U0

图1

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实验测量时只要直接测量其输出端电压Uo，即可知待测量的温度。 【实验内容】

集成温度传感器LM35温度特性的测量及应用

(1)插接好电路，将控温传感器PT100铂电阻(A级)插入干井式恒温加热炉中心孔，开始从环境温度起测量，然后开启加热器，每隔10.℃控温系统设置一次，控温后，恒定2min测试传感器LM35的输出电压。

⑵．制作电子温度计：将电压输出型LM35的输出电压通过放大电路并将输出电压与标准温度进行对比校准，即可制成电子温度计。插上LM35实验电路电源（+5V），将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井式恒温加热炉中心井，用标准水银温度计对控温传感器Pt100铂电阻(A级)进行37.0℃的校正，控温仪作37.0℃的自适应整定。调整电路的校正电位器，使输出电压与温度变化同步（即每℃变化10mV）。测量电子温度计的线性度（从35.0℃--42.0℃），每隔0.5℃测量一次，到42.0℃止。

(3)进行人体各部位（腋下、眉心、手掌内）的温度测量（除口腔外）并与水银体温表测量口腔（口腔表）的温度进行比较，了解人体各部位温差的原因。 【实验数据】

*本实验所用传感器与仪器出厂所配传感器性能有一定差异，实验数据仅供参考

表1 集成温度传感器LM35输出电压与温度的关系

t/℃ 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 Uo/V 0.1934 0.3006 0.4020 0.5035 0.6020 0.7036 0.8046

得到数据用最小二乘法进行拟合得:利用Uo=Kt+A 灵敏度K=0.0102V/℃ 相关系数r=0.99989 表2用LM35制作数字电子温度计与标准温度示值比较

t/℃ 35.0 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 40.0 40.5 41.0 41.5 42.0

U0/V 0.3500 0.3552 0.3604 0.3652 0.3712 0.3753 0.3808 0.3856 0.3912 0.3956 0.4008 0.4050 0.4111 0.4155 0.4200 t1/℃ 34.9 35.4 35.9 36.4 37.0 37.5 38.0 38.5 39.0 39.5 40.2 40.5 41.0 41.7 42.1 （口腔表）

Δt/℃

0.1 +0.1 +0.1 +0.1 +0.1 0.0 0.0 0.0 +0.1 +0.1 -0.1 0.0 +0.1 -0.10

+

表2中Δt=t1-t,t1为口腔表示值，t为自装数字温度表示值，由于存在着控温精度的调整和温度传

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感器与井式炉的热接触问题，在35℃-42℃温度范围内有一定的误差。 实验三： 负温度系数热敏电阻(NTC 1K)温度传感器温度特性的测量及应用 【实验目的】

1.用恒流源法测量负温度系数热敏电阻的阻值与温度的关系,求得灵敏度。

2.用热敏电阻温度传感器NTC1K（负温度系数）,放大器和数字电压表组装成数字式电子温度表，并对数字式温度表进行校正（用医用级水银温度计作标准）(选做)。

3.进行人体各部位（腋下、眉心、手掌内）的温度测量（除口腔外）并与水银体温表测量口腔（口腔表）的温度进行比较，了解人体各部位温差的原因。 【实验仪器】

FD-BHM-A温度传感器特性及人体温度测量实验仪、（可控温数显干井式恒温加热系统、NTC 1K热敏电阻温度传感器、可调整放大器、数字电压表、插接线，医用级口腔表等） 【实验原理】

1.恒电流法测量热电阻

恒电流法测量热电阻，电路如图1所示，

图1

电源采用恒流源，R1为已知数值的固定电阻，RT为热电阻。UR1为R1上的电压，URT为RT上的电压，UR1用于监测电路的电流。当电路电流恒定时,则只要测出热电阻两端电压URT， 即可知道被测热电阻的阻值。当电路电流为I0,温度为T时，热电阻RT为：

RT?URTIO?R1URTUR1 （1）

2. 负温度系数热敏电阻(NTC 1K)温度传感器

热敏电阻是利用半导体电阻阻值随温度变化的特性来测量温度的，按电阻阻值随温度升高而减小或增大，分为NTC型(负温度系数热敏电阻)、PTC型(正温度系数热敏电阻)和CTC（临界温度热敏电阻）。NTC型热敏电阻阻值与温度的关系呈指数下降关系，但也可以找出热敏电阻某一较小的、线性较好范围加以应用（如35-42℃）。如需对温度进行较准确的测量则需配置线性化电路进行校正测量（本实验没进行线性化校正）。以上三种热敏电阻特性曲线见图2。

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温度/℃

图2

ρ/Ω.cm

在一定的温度范围内（小于150℃）NTC热敏电阻的电阻RT与温度T之间有如下关系：

B(1T?1T0)RT?R0e （2）

（2）式中RT、R0是温度为T,T0 时的电阻值( T为热力学温度,单位为K)；B是热敏电阻材料常数，

一般情况下B为2000～6000K。对一定的热敏电阻而言，B为常数，对（2）式两边取对数，则有：

lnRT?B(1T?1T0)?lnR0 （3）

由（3）式可见，lnRT与1/T成线性关系，作lnRT-(1/T)直线图，用直线拟合，由斜率即可求出常数B。 【实验内容】

1. NTC 1KΩ热敏电阻温度特性的测量及电子温度计的制作

+5VURt恒流源 NTC 1KRtUR01KR0

图3

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⑴恒电流法测量热敏电阻的阻值：

用恒流源法测热敏电阻的方法见图3。图3为测量热敏电阻阻值所用恒流源实验电路，用恒流源法测量热敏电阻时插上+5V电源、热敏电阻。检测1KΩ电阻上的电压即可知道流过Rｔ的电流， 即：I恒?UR/R，由于恒流源为AD590所提供恒定的电流，则测量热敏电阻上的电压即可知道它的阻值?Rt?URt/I恒?。将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井式恒温加热炉的中心井，另一只待测试的NTC 1K热敏电阻插入干井式恒温加热炉另一井，从室温起开始测量，然后开启加热器，每隔10.0℃控温系统设置一次，控温稳定2min后，用式（1）测量、计算NTC 1K热敏电阻的阻值，到８0.0℃止。将测量结果用最小二乘法直线拟合，求出结果。 ⑵制作电子温度计：（选做）

将URt作为信号进入放大电路进行放大和调整，使电路得到１０ｍＶ／℃的输出，并将输出电压与标准温度进行对比校准，即可制成电子温度计。将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井式恒温加热炉中心井，用水银体温表对控温传感器Pt100铂电阻(A级)进行37.0℃的校正（注意水银体温表如再次测量温度比前次测量温度低，则必须将体温表温度指示水银柱摔下来，以下实验相同）。控温仪作37.0℃的自适应整定。调整电路的校正与调零电位器，使输出电压与温度变化同步（即温度每1℃变化，输出电压变化10mV）。测量电子温度计的线性度（从35.0℃--42.0℃），每隔0.5℃测量一次，到42.0℃止。

(3)进行人体各部位（腋下、眉心、手掌内、下肢）的温度测量（除口腔外）,并与水银体温表测量口腔（口腔表）的温度进行比较，了解人体各部位温差的原因。 【实验数据】

*本实验所用传感器与仪器出厂所配传感器性能有一定差异，实验数据仅供参考

表1 热敏电阻阻值与温度关系数据

序号 t/℃ T/K RT/Ω (1/T×10?3)K?1

1 20.0 293.15 1364 3.411 2 25.0 298.15 1137 3.354 3 30.0 303.15 923.5 3.299 4 40.0 313.15 614.5 3.193 5 50.0 323.15 419.2 3.095 6 60.0 333.15 291.5 3.002 7 70.0 343.15 206.5 8 80.0 353.15 151.2 9 - 9 -

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