北航传感器技术与测试系统实验二——温度传感器测量原理实验

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1、北航传感器技术与测试系统实验二——温度传感器测量原理实验温度传感器测量原理实验一、实验目的1.了解各种温度传感器（热电偶、铂热电阻、PN结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器）的测温原理；2.掌握热电偶的冷端补偿原理；3.掌握热电偶的标定过程；4.了解各种温度传感器的性能特点并比较上述几种传感器的性能。二、实验原理1.热电偶测温原理热电偶由两根不同介质的导体熔接而成，其形成的闭合回路叫做热电回路，当两端处于不同温度时回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。实验中使用两种热电偶：镍铬—镍硅（K分度）

2、、镍铬—铜镍（E分度）。图2.1所示为热电偶的工作原理，图中：T为热端，To为冷端，热电势为：Et?EAB(T)?EAB(To)图2.1热电偶工作原理热电偶冷端温度不为0℃时（下式中的T1），需对所测热电势值进行修正，修正公式为：E（T，To）=E(T,T1)+E(T1,T0)（2-1）即：实际电动势＝测量所得电势＋温度修正电势对热电偶进行标定时，以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶。2.铂热电阻铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时,RT=R0（1+AT+BT2）式中：RT——铂热电阻T℃

3、时的电阻值R0——铂热电阻在0℃时的电阻值A——系数（=3.96847×10-31/℃）B——系数（=-5.847×10-71/℃2）将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。3.PN结温敏二极管半导体PN结具有良好的温度线性，PN结特性表达公式为：???????=式中，γ为与PN结结构相关的常数；k为波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；e为电子电荷量，e=1.602×10-19C；??????????T为被测物体的热力学温度（K）。当一个PN结制成后，当其正向电流保持不变时，

4、PN结正向压降随温度的变化近似于线性，大约以2mv/℃的斜率随温度下降，利用PN结的这一特性可以进行温度的测量。4.热敏电阻热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件，灵敏度高，可以测量小于0.01℃的温差变化。热敏电阻分为正温度系数热敏电阻PTC、负温度系数热敏电阻NTC和在某一特定温度下电阻值发生突然变化的临界温度电阻器CTR。实验中使用NTC，热敏电阻的阻值与温度的关系近似符合指数规律，为：????=??0????(?11)0式中，T为被测温度（K），T=t+273.16；T0为参考温度（K）

5、，T0=t0+273.16；Rt为温度T时热敏电阻的阻值；R0为温度T0时热敏电阻的阻值；B为热敏电阻的材料常数，由实验获得，一般为2000~6000K。5.集成温度传感器用集成工艺制成的双端电流型温度传感器，在一定的温度范围内按1μA/K的恒定比值输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可得知温度值（K氏温度），经K氏-摄氏转换电路直接得到摄氏温度值。三、实验内容1.使用K型热电偶对E型热电偶进行标定；2.测量铂热电阻、PN结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器在一些温度下的电压，画出电压和温度的关系曲线，分析各种温

6、度传感器的特性。四、实验仪器：温度传感器实验模块、热电偶（K型、E型）、CSY2001B型传感器系统综合实验台（以下简称主机）、温控电加热炉、连接电缆、万用表：VC9804A，附表笔及测温探头、万用表：VC9806，附表笔。五、实验步骤注意：为提高效率，在标定热电偶的同时可将其他温度传感器按照说明连好线，同时测量。（1）观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理（2）关闭主机“电源开关”，将温控电加热炉电源插头插入主机“220V加热电源出”插座；热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试

7、”端，E分度热电偶接“温控”端，（注意热电偶极性不能接反红为正，蓝为负，而且不能断偶）；（3）连接主机的“实验模块电源”至温度传感器实验模块电源插座（在后侧板）。（4）将主机上的“热电偶转换”开关扳向“温控”端，调节“设定调节”旋钮到最低；（5）关闭“应变加热”开关，打开主机“电源开关”，将主机上“加热炉”置“开”；（6）“测量设定”开关扳向“设定”，调节“设定调节”旋钮，将温度设定在40℃（注意，由于温控炉超调较大，可以将设定值稍微调小些）；（7）“测量设定”开关扳向“测量”；（8）温控炉加热时，“加热”指示灯亮，温控电加热

8、炉加热；加热炉到达设定温度后，“加热”指示灯灭，“关闭”指示灯亮，温控炉在设定温度保温；（9）VC9806型万用表置200mv档，当“温控加热器”上方的数码管显示为设定温度时，用VC9806型万用表分别测量K型和E型热电偶的热电势。（10）用VC9804型万用表测量冷端温度，