温度传感器

温度传感器温度特性测试与研究

(FB810型恒温控制温度传感器实验仪)

实 验 讲 义

杭州精科仪器有限公司

一、集成电路温度传感器的特性测量及应用

随着科技的发展，各种新型的集成电路温度传感器器件不断涌现，并大批量生产和扩大应用。这类集成电路测温器件有以下几个优点：（1）温度变化引起输出量的变化呈现良好的线性关系；（2）不像热电偶那样需要参考点；（3）抗干扰能力强；（4）互换性好，使用简单方便。因此，这类传感器已在科学研究、工业和家用电器温度传感器等方面被广泛使用于温度的精确测量和控制。本实验要求测量电流型集成电路温度传感器的输出电流与温度的关系，熟悉该传感器的基本特性，并采用非平衡电桥法，组装成为一台0~50?C数字式温度计。

【实验原理】

AD590集成电路温度传感器是由多个参数相同的三极管和电阻组成。该器件的两端当加有某一定直流工作电压时（一般工作电压可在4.5~20V范围内），它的输出电流与温度满足如下关系： I?B?t?A

式中，I为其输出电流，单位:?A，t为摄氏温度，B为斜率,一般AD590的那传感器的输出电流增加或B?1?A(?C)?1,即如果该温度传感器的温度升高或降低1?C，

减少1?A，A为摄氏零度时的电流值，其值恰好与冰点的热力学温度273K相对应。（对

?A略有差异。市售一般AD590， A?273~278）利用AD590集成电路温度传感器的

上述特性，可以制成各种用途的温度计。采用非平衡电桥线路，可以制作一台数字式摄氏

温度计，即AD590器件在0?C时，数字电压显示值为“0”，而当AD590器件处于t?C时，数字电压表显示值为“t”。

【实验仪器】

FB810型恒温控制温度传感器

实验仪，如右图所示： 大烧杯、加热器、冰瓶、各种温度传感器等。

【实验内容】

一．AD590的测试方法：

AD590为两端式集成电路温1．

度传感器，它的管脚引出端有两个，如图1所示：序号1接电源正端U?（红色引线）。序号2接电源负端U?(黑色引线)。至

于序号3连接外壳，它可以接地，有时也可以不用。AD590工作电压4~30V，通常工

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作电压6~15V，但不能小于4V，小于4V出现非线性。 2. PT100数显式温度计等。

二. AD590传感器温度特性测量及数字式温度计的设计：

1. 按图2接线（AD590的正负极不能接错）。测量AD590集成电路温度传感器的电流I与温度t的关系，取样电阻R?1000?。把实验数据用最小二乘法进行拟合，求斜率B、 截距A和相关系数r。实验时应注意AD590温度传感器为二端铜线引出，为防止极间短

路，两铜线不可直接放在水中，应用一端封闭的薄壁试管套保护，其中注入少量硅油，使之有良好热传递。（实验中如何保证AD590集成温度传感器与PT100数显温度计处在相同温度位置）

2.制作量程为0~50?C范围的数字温度计。把AD590三只电阻箱、直流稳压电源及数字电压表按图3接好。将AD590带试管放入冰瓶中（内装冰水混合物），取，调节R4使数字电压表示值为零。然后把AD590放入其他温度如R2?R3?100?0，室温的水中，用PT100温标准度计进行读数对比，求出百分差。

3.令图3中电源电压发生变化，如从8V变为10V，观测一下，AD590传感器输出电流有无变化？分析其原因。

三．AD590传感器的输出电流和工作电压关系测量：

将AD590传感器处于恒定温度，将直流电源、AD590传感器、电阻箱、直流电压表等按图4接电路线。调节电源输出电压从1.5~10V，测量加在AD590传感器上的电压U与输出电流）

I(I?UR/R)的对应值，要求实验数据10点以上。

用坐标纸做AD590传感器输出电流I与工作电压U的关系图，求出该温度传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压Ur。

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【实验数据及处理】

1.测量AD590传感器输出电流I和温度t之间的关系。求I~t关系的经验公式。

表1 AD590传感器温度特性测量 t (?C) 37 38.5 0.312 31.2 40 0.313 31.3 41.5 0.315 31.5 43 0.316 31.6 44.5 0.318 31.8 46 0.319 31.9 UR(V) 0.309 I(?A) 30.9 表1 数据用最小二乘法拟合：

求斜率B? ___0.107___ ?A(?C)?1；截距A?___27.011___?A；相关系数

r?_0.991___；所以，I, t关系为：I?0.107?t?27.011。

与灵敏度标准值B?1.000?A(?C)?1相比，求相对误差 ：E?_89.3_____%。 2．AD590传感器的输出电流和工作电压关系测量：

? 表2 AD590传感器伏安特性测量 t?45.4?C,R?10000U(V) 1.418 1.806 2.697 3.694 4.695 5.695 6.695 7.692 8.695 9.689 UR(V) 0.08 0.192 0.3 0.3 0.3 0.3 0.301 0.301 0.302 0.301 I(?A) 8.0 19.2 30.0 30 30 30 30.1 30.1 30.2 30.1 用坐标纸作AD590传感器输出电流I与工作电压U的关系曲线图，从图中求出该温度传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压Ur。

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从AD590传感器输出电流I与工作电压U的关系曲线图中，得到t?45.4?C时，传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压Ur?3.694V。

【思考题】

1.电流型集成电路温度传感器有哪些特性？它比半导体热敏电阻、热电偶有哪些优点？ 应该是集成电路的控制较完善，相对可以做得更准确，反应速度也会更快，但相对电路的构成会复杂。

2.如何用AD590集成电路温度传感器制作一个热力学温度计，请画出电路图，说明调节方法。

集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55℃~±150℃之间的温度测量。温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时，其基极发射极电压与温度成线性关系，为克服温敏晶体管vb电压产生时的离散性，采用了特殊的差分电路。集成温度传感器具有电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定的温度T时相当于一个恒流源。因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有很好的线性特性。

3.如果AD590集成电路温度传感器的灵敏度B不是严格的1.000?A(?C)?1，而是略有差异，请写出解决问题的办法。

AD590相当于是受温度控制的恒流源,R1越大,取得的电压就越高。一般是在R1上串一个多

圈可调电阻

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【实验范例1】

1. 测量AD590传感器输出电流I和温度t之间的关系。 求I~t关系的经验公式。

表3 AD590传感器温度特性测量 t (?C) 29.0 3.036 303.6 34.2 3.086 308.6 37.0 3.112 311.2 40.0 3.143 314.3 42.8 3.168 316.8 45.8 3.196 319.6 49.2 3.239 323.9 UR(V) I(?A) 表3 数据用最小二乘法拟合得：

?1斜率B?0.987?A(?C)；截距A?274.8?A；相关系数r?0.999

所以，I, t关系为：I?0.987t?275

与灵敏度标准值B?1.000?A(?C)?1相比百分误差为E?1.3%。 2.制作摄氏温度计：

由于灵敏度B?1.000?A(?C),所以R2值取略大于1000?，

本实验按以下公式加以修正：取R2?R3?1.000mV?B?1.000?0.987?1012 .9?。将冰用刨冰机制成冰霜放入保温杯中压紧，并用玻璃管压1个小洞。将带玻璃试管传感器浸入冰霜中，把仪器接成图3电桥电路。调节R4，使t?0?C时，数字电压表输出

?1U?0mV。用自制摄氏温度计测室温水温为28.7?C，而PT100数显温度计读数也为28.7?C。

3.测量AD590传感器的伏安特性：

? 表2 AD590传感器伏安特性测量 t?3?C,R?10000

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测量次数 1 1.326 0.200 20.0 9 2.713 2.775 277.5 2 1.589 0.777 77.7 10 2.880 2.760 276.0 3 1.736 1.130 113.0 11 3.010 2.759 275.9 4 2.065 1.795 179.5 12 3.252 2.759 275.9 5 2.342 2.306 230.6 13 3.440 2.760 276.0 6 2.456 2.495 249.5 14 3.643 2.760 276.0 7 2.533 2.616 261.6 15 4.100 2.760 276.0 8 2.680 2.770 277.0 U(V) UR(V) I(?A) 测量次数 U(V) UR(V) I(?A)

从AD590传感器输出电流I与工作电压U的关系曲线图中，得到t?3?C时，传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压Ur?2.70V。

二、热敏电阻的温度特性测量

热敏电阻通常是用半导体材料制成的，他的电阻随温度变化而急剧变化。热敏电阻分为负温度系数NTC热敏电阻和正温度系数PTC热敏电阻两种。NTC热敏电阻的体积

很小，其阻值随温度变化比金属电阻要灵敏得多，因此，它被广泛用于温度测量、温度控制以及电路中的温度补偿、时间延迟等。PTC热敏电阻分为陶瓷PTC热敏电阻及有机材料PTC热敏电阻两类。PTC热敏电阻是20世纪80年代初发展起来的一种新型材料电阻

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器，它的特点是存在一个“突变点温度”，当这种材料的温度超过突变点温度时，其阻值

17可急剧增加5~6个数量级，（例如由10?急增到10?以上），因而具有极其广泛的应用

价值。

近年来，我国在PTC热敏电阻器件开发与应用方面有了很大发展，陶瓷PTC热敏电阻由于其工作功率较大及耐高温性好，已被应用于工业机械、冰箱等作电流过载保护，并可替代镍铬电热丝作恒温加热器和控温电路，用于自热式电蚊香加热器、新型自动控温烘干机、各种电加热器等一系列安全可靠的家用电器；而有机材料PTC的热敏电阻具有动作时间短、体积小、阻值低等特点，现已被用于国内电话程控交换机、便携式电脑、手提式无绳电话等高科技领域作过载保护，应用范围很广。

本实验用温度计和直流电桥测定热敏电阻器与温度的关系。要求掌握NTC热敏电阻器的阻值与温度的关系特性、并学会通过数据处理来求得经验公式的方法。

【实验原理】

1. 负温度系数热敏电阻器的电阻-温度特性

NTC热敏电阻通常由Mg, Ni, Cr, Co, Fe, Cu等金属氧化物中的2~3种均匀混

合压制后，在600~1500?C温度下烧结而成，由这类金属氧化物半导体制成的热敏电阻，具有很大的负温度系数。在一定的温度范围内，NTC热敏电阻的阻值与温度关系满足下列经验公式：

R?R0?e11B?(?)TT0

(1)

式中，R为该热敏电阻在热力学温度T时的电阻值，R0为热敏电阻处于热力学温度T0时的阻值。B是材料常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的范围内，B可以看作为常数。

由公式（1）可求得，NTC热敏电阻在热力学温度T0时的电阻温度系数?

??1dRB?()T?T0??2R0dTT0

（2）

由公式(2)可知，NTC热敏电阻的电阻温度系数是与热力学温度的平方有关的量，在不同

温度下，?值是不相同的。 对公式（1）两边取对数，得到

lnR?B?(11?)?lnR0 TT0在一定温度范围内，lnR与

11成线性关系,可以用作图法或最小二乘法求得斜?TT07

率B的值。并由公式（2）求得某一温度时NTC热敏电阻的电阻温度系数?。 2. 正温度系数热敏电阻器的电阻-温度特性

PTC热敏电阻具有独特的电阻-温度特性，这一性质是由于其微观结构决定的。当温度升高超过PTC热敏电阻突变点温度时，其材料结构发生了突变，它的电阻值有明显变化，可以从10?变化到10?，PTC热敏电阻的温度大于突变点温度时的阻值随温度变化符合如下经验公式：

R?R0?eA?(T?T0)17 (3)

其中，T为样品的热力学温度，T0为初始温度，R为样品在温度T时的电阻值，R0为样品在温度T0时的电阻值，A的值在某一范围内近似为常数。

对陶瓷PTC热敏电阻，在小于突变点温度时，电阻与温度关系满足公式（1），为负温度系数性质，在大于突变点温度时，满足（3）式，为正温度系数热敏电阻，此突变点温度常称为居里点。而对有机材料PTC热敏电阻，在突变点温度上下均为正温度系数性质，但是其常数A也在突变点发生了突变，即A值在温度高于突变点后明显激增。

【实验仪器】

FB810型恒温控制温

度传感器实验仪 ,电热管,玻璃烧杯,小试管,冰瓶，正、负热敏电阻,磁力搅拌子,电阻箱（用户自备）。热敏电阻放置小试管内再放在可控温的玻璃烧杯中，用PT100铂电阻温度计测量温度。

【实验内容】

一 ．测量NTC热敏电阻

器的电阻与温度关系特性，计算热敏电阻材料常数B：

先把PT100作为温度测量用插入小试管。

1. 把NTC热敏电阻和玻璃温度计一起插在盛有硅油的玻璃小试管内，试管置于盛有水的可控恒温槽中，当NTC热敏电阻、铂电阻温度计和水温达到平衡时，铂电阻温度计显示出NTC热敏电阻的温度?，用图6示的电路测量NTC热敏电阻的阻值R0(注意：热敏电阻的电流应小于300?A, 避免热敏电阻自身发热对实验测量造成影响。此时直流单臂

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电桥臂往往不能严格取1 ：1比例，直流电源最大取1.5V)。

2．将电阻箱、检流计用连接线接成电桥，用来测量热敏电阻的阻值。

3．先测出室温时（将NTC热敏电阻和铂电阻温度计等插入室温水中）温度?和NTC热敏电阻阻值R0。然后逐步增高恒温槽温度，每当温度达到稳定时，测量相应的一组?i与Ri的值.要求温度从室温~80?C范围内测出10组数据.用公式T?273.15?? (K)，将摄氏温度?换算成热力学温度T。

4．用最小二乘法求出温度在室温~80?C范围内的材料常数B 。

5. 用公式(2)计算NTC热敏电阻在温度??50?C时的电阻温度系数。

表1 负温度系数热敏电阻温度特性测试数据记录

序号 1 室温 2 30 3 40 4 50 5 60 6 70 7 80 t(?C) Rt(?) 将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，求出结果。

温度系数A? ，相关系数r? 。 二 ．测量热敏电阻器的电阻与温度特性，求经验公式： 1. 有机材料PTC热敏电阻特性测量,操作步骤同上:

① 待测样品取用电器及马达等过载保护用的有机材料PTC热敏电阻. ② 把待测样品放在可调温度恒温炉中，用直流电桥测电阻.

③ 用半对数坐标纸作有机材料PTC热敏电阻的阻值R与热力学温度T的关系图.

表2 正温度系数热敏电阻温度特性测试数据记录

序号 1 室温 2 30 3 40 4 50 5 60 6 70 7 80 t(?C) Rt(?) 将测量数据用最小二乘法进行曲线指数回归拟合，求出结果。

温度系数A? ，相关系数r? 。

【思考题】

1. 在实验测量时流过NTC热敏电阻的电流应小于300?A，为什么？如何保证此实验条件的实现？如果电源，电压为1.5V，在室温时，桥臂怎么取？

2. 若铂电阻温度计的温度示值与实际温度有所差异，对实验结果有什么影响？应如何保

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证所测的温度值准确？

3.PTC热敏电阻与NTC热敏电阻在电阻温度特性方面有哪些区别？它们各有哪些应用？

4. 根据PTC热敏电阻的电阻温度特性，你能开发该材料哪些新的应用？ 5. 能否用伏安法测量NTC热敏电阻的电阻值？如果可以请画出测量电路图。

【实验范例2】

?的电阻箱，调节电阻RS为电桥臂RA, RB是规格为0.1级0~99990.1级0~9999.9?的电阻箱，电源为1.5V。在室温至80?C范围内，电阻值大于9000?。

所以满足RT?RS?5000?,即通过RT热敏电阻电流小于300?A要求.

表4 热敏电阻的阻值和温度关系数据 序号 1 2 3 4 5 6 RT(?) 1163×10 9486 7324 5184 3747 2565 TT0lnRT 9.3613 9.1576 8.8989 8.5533 8.2287 7.8497 T(K) 297.65 303.58 311.85 323.40 335.44 348.26 111?103(K?1) (?)?103(K?1) TT0T3.3597 3.2940 3.2067 3.0921 2.9812 2.8714 0 -0.0657 -0.1530 -0.2676 -0.3785 -0.4883 3对lnRT?(1?1)作最小二乘法数据处理，可得B?3.070?10K，lnR0?9.369，

R0?1171?10?，相关系数r?0.9995，所以，经验公式为：

113.070?103(?)TT0RT?1171 ?e?

T 若用该热敏电阻测量某温度，只须测得此时的阻值，即能由上式算得温度，或由RT~1的关系图曲线图上查得温度。

FB810型恒温控制温度传感器实验仪说明

一．概述

温度传感器的特性测量和定标是大学普通物理热学实验和电磁学实验中的一个基本

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内容，是新的全国理工科物理实验教学大纲中一个重要实验。为开设好此实验，本仪器与同类其它仪器相比，有以下优点： 1.PT100测温,方便实用。2.PID设置容易、控温精度高。3.低压加热安全可靠。4.设定温度和测量温度均用数字显示。5.提供最为常用的温度传感器，非常具有使用价值。本实验仪器可用于各种温度传感器的特性测量和各种材料的电阻与温度关系特性测量实验，本仪器也可用于物理化学实验做恒温仪用，它是理工科大学普通物理实验必备重要实验装置之一。 二．用途

1.电流型集成温度传感器AD590的特性测量和应用:

(1)测量AD590输出电流和温度的关系，计算传感器灵敏度及0?C时传感器输出电流值。 (2)用AD590传感器,电阻箱,数字电压表和直流电源等设计并安装数字式摄氏温度计。 (3)测量集成温度传感器AD590在某恒定温度时的伏安特性曲线，求出AD590线性使用范围的最小电压Ur值。

2.测量半导体热敏电阻阻值与温度的关系，求该半导体热敏电阻的经验公式。 3.热电阻等温度传感器的特性测量。（PN等用户自备） 三．仪器组成与技术指标 1.仪器组成

本机为有单片控制的智能式数字恒温控制仪、量程为0~19.999V四位半数字电压表、直流2~12V稳压输出电源、可调式磁性搅拌器以及2000mL大烧杯、加热器、玻璃管（内放硅油和被测集成温度传感器）等组成。 2.技术指标： A.温控仪

(1)数显温度计显示工作温度：0?C~100?C； (2)恒温控制温度：室温~80?C； (3)控制恒温显示分辨率：?0.1?C。 B.直流数字电压表

(1)量程：0~19.999V； (2)读数准确度：0.001V；

(3)仪器前面板上有红、黑二对接线柱，右边用来接入传感器输出电压，左边接输出工作电压，二路电压用同一只电压表指示，测量时用按钮开关切换测试对象,由指示灯提示测试目标。

C.待测温度传感器AD590技术特性： (1)工作温度：?55?C~150?C； (2)工作电压：4.5~25V； (3)灵敏度：1?A(?C)，线性元件； (4)0?C时输出电流约273?A。 D.加热器：

(1)工作电压：交流36V； (2)工作电流：交流最大4.5A。

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?1四.仪器使用方法

1.使用前将电位器调节旋钮逆时针方向旋到底，把接有PT100传感器接线端插头插 在后面的插座上，PT100测温端放入注有少量油的玻璃管内(直径18mm)；在2000ml大烧杯内注入1600ml的净水，放入搅拌器和加热器盖板。 2.温控器设置请参看附录。 五.注意事项

1. PT100 测温传感器要小心插到试管底部，以免测温不准；

2．AD590集成温度传感器的正负极性不能接错，红线表示接线电源正极。

3．AD590集成温度传感器不能直接放入水中或冰水混合物中测量温度，若测量水温或冰水混合物温度，都必须插到加有少量硅油的玻璃试管内，再插入待测温物测温。 4．搅拌器转速不宜太快，若转速太快或磁性转子不在中心，有可能转子离开旋转磁场位置而停止工作，这时须将调节马达转速电位器逆时针调至最小，让磁性转子回到磁场中，再旋转。

5.热敏电阻的工作电压应小于3V,防止自热引入误差或损坏。实验时，直流电源调节旋钮可反时针调到底。用数字电压表检测电源电压。 6.更换大烧杯时请注意烧杯的底部必须平整。

7.倒去烧杯中水时，注意应先取出磁性浮子保管好，以避免遗失。

【附录】 PID智能温度控制器

该控制器是一种高性能。可靠好的智能型调节仪表，广泛使用于机械化工、陶瓷、轻工、冶金、热处理等行业的温度、流量、压力、液位自动控制系统。控制器面板布置图：

例如需要设置加热温度为30?C，具体操作步骤如下：

1． 先按设定键SET（）0.5秒,进入温度设置。(注：若学生不慎按设定键时间长达5秒，

出现进入第二设定区符号，这时只要停止操作5秒，仪器将自动恢复温控状态。) 2．按位移键（），选择需要调整的位数，数字闪烁的位数即是可以进行调整的位数。 3．按上调键（）或下调键（温度。

4．再按设定键SET（）1次，设定工作完成。如需要改变温度设置，只要重复以上步

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）确定这一位数值，按此办法，直到各位数值满足设定

骤就可。操作过程可按上图进行（图中数据为出厂时设定的参数）：

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