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温度传感器特性测量及应用

 

 

温度传感器特性测量及应用
 温度传感器的温度特性测量实验 :

【温度传感器特性测量及应用目的要求】  测量PN结温度传感器的温度特性;测试PN结的正向电流与正向电压的关系(指数变化规律)并计算出玻尔兹曼常数。

温度传感器特性测量及应用实验仪器】  FD-ST-TM温度传感器温度特性实验模块(需配合FD-ST系列传感器测试技术实验仪)含加热系统、恒流源、直流电桥、Pt100铂电阻温度传感器、NTC1K热敏电阻温度传感器、PN结温度传感器、电流型集成温度传感器AD590、电压型集成温度传感器LM35、实验插接线等)。

【温度传感器特性测量及应用实验原理】  “温度”是一个重要的热学物理量,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,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。
 
常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见下表。
温度传感器特性测量及应用PN结温度传感器:

 1. 测试PN结的Vbe与温度变化的关系,求出灵敏度、斜率及相关系数  PN结温度传感器是利用半导体。
 
PN结的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
类型  传感器 测温范围/℃ 特点  热电阻  铂电阻  -200——650 准确度高、测量范围大  铜电阻 -50——150 镍电阻 -60——180 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  热电偶  铂铑-铂  (S)  0——1300   用于温度传感器特性测量及应用高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参考点(如冰点)  铂铑-铂铑(B) 0——1600 镍铬-镍硅(K) 0——1000 镍铬-康铜(E) -200——750 铁-康铜  (J) -40——600 其它  PN结温度传感器 -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  tob_id_5319。

2  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Vbe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℃。缺点是一致性差,互换性差。  通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足(1)式   1/kTqUSeII。

(1)  在常温条件下,且1/KT qUe 时, (7)式可近似为 kTqUSeII/;

(2)  (7)、(8)式中:     T  为热力学温度 ; Is  为反向饱和电流;  正向电流保持恒定条件下,PN结的正向电压U和温度t近似满足下列线性关系  U=Kt+Ugo ;

(3)式中Ugo为半导体材料参数,K为PN结的结电压温度系数。实验测量如下图。图中用恒压源串接51K电阻使流过PN结的电流近似恒流源。

2.玻尔兹曼常数测定  PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础之一。模块通过专用电路来测量研究PN结扩散电流与结电压的关系,证明此关系遵循指数变化规律,并准确的推导出玻尔兹曼常数(物理学的重要常数之一)。

由半导体物理学可知,PN结的正向电流——电压关系满足式(1),式(1)中,I是通过PN结的正向电流,IS是不随电压变化的常数(漏电流)。T是热力学温度。e是电子的电荷量,U为PN结正向压降。由于在常温(300K)时KT/e≈0.026V,而PN结正向压降约为几百毫伏,则exp(eU/KT)>>1, 为电子电量, Cq;10602.119为玻尔兹曼常数,KJk/10381.123  则式(1)中-1项可忽略,于是有:  kTqUSeII/ (2)  即:PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。

如测出PN结I-U关系值,则利用式(1)可以求出e/KT。在测得实际温度T后就可以得到e/K常数,把电子电荷量代入即可求得玻尔兹曼常数K。       在实际测量中,二极管的PN结I-U关系虽也满足指数关系,但求得的K往往偏小,这是因为通过二极管电流一般包括三个成分:[1]扩散电流,它严格遵循式(8);

耗尽层复合电流,它正比于exp(eU/2KT);[3]表面电流,它是由Si和SiO2界面中杂质引起的。其值正比于exp(eU/mKT),一般m>2。因此为了准确的推导出K,不宜采用二极管,而采用硅三极管,且接成共基极电路。因为此时三极管C和B短接,C极电流仅仅是扩散电流,复合电流主要在B极中出现。这样测量E极电流就能得到满意的结果。
【温度传感器特性测量及应用实验内容】:

1.玻尔兹曼常数测定  按实验要求接好电路。为保证改变I-U值时PN结温度不变,将PN结插入干井炉井内并将温度设定控制50℃(±0.1℃),调节电位器改变U1 (Ube)和U2(U0)值,每间隔0.02V测一点,约测10点左右,至U2值达到饱和时( U2值变化很小或基本不变)结束测量。

数据记录如下: t = 50℃   曲线拟合:运用最小二乘法将实验数据分别代入线性回归,指数回归,乘幂回归这三种常用的基本函数,温度传感器特性测量及应用然后求出衡量各回归函数的好坏标准差δ。对已测出的U1和U2,多对数据,以U1为自变量,U2作因变量,分别代入(1)线性函数U2=a U1+b;(2)乘幂函数U2=a U1b ;(3)指数函数U2= exp(b U1)。求出各函数的a和b的值,得出三种函数式究竟哪一种符合物理规律必须用标准差来检验。

办法为:把实验测  ① 得的各个自变量U1分别代入三个基本函数,得到相应因变量的预期值U2* ,并由此  求出各函数拟合的标准差:δ=   ]/)([ 2 * 1nUUiin i。           

(4) 式中n为测量数据个数,Ui为实验测得的因变量,Ui*为将自变量代入基本函数后得到的因变量预期U1/V 0.300 0.320 0.340 0.360 0.380 0.400 0.420 0.440 0.460 0.480 U2/V。

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