基于PN结传感器的数字式温度计实验研究

张凤云，罗 伟，张利巍

(东北石油大学，黑龙江大庆 163318)

温度是基本物理量之一，自然界中几乎所有物质的基本特性及其变化规律均与温度密切相关，因而方便、快捷、准确地测量温度一直被人们所追求［1］。现在学校实验室中所使用的温度计通常都是精度为1℃和0.1℃的水银、煤油或酒精温度计，这些温度计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且它们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准实验过程中的温度［2］。PN结温度传感器是一种半导体敏感器件，它是一种负温度系数温度—电压转换器件，兼有热电偶、铂电阻和热敏电阻［3］的各自优点，又克服了这些传统测温器件难以克服的某些固有缺陷，成为一种新的计量器具，是自动控制技术和仪器仪表工业不可缺少的基础元器件［4］。文中在深刻掌握PN结温度敏感器件的基本特性的基础上，利用数字电压表单元模块、恒流源、AD620等设计测温实验电路，设计制作出0～100℃的数字温度计，用带有标准铂电阻温度计对所组装的数字温度计进行标定后，再进行校正以确定其测温误差。它具有线性度高、热响应速度快、测温精度较高、重量轻、易制作、成本低等优点，可以测量固体、液体和气体的温度，具有广泛的用途。该温度计可以用在各类量热学实验［2］中进行温度的测量和控制，以提高实验结果的精度。

1 实验原理

一个完整的数字温度计及其校准标定系统，见图1。

图1 数字温度计及其校准标定系统

2.1 标定用“标准温度计”

由于温度计是中低温区的标准温度计，所以标定用的标准温度计使用1/3 B级铂电阻温度传感器作为感温元件，通过校准0℃时的阻值误差后自行制作或组装。将所温度传感器置于盛有冰水混合液(水的三相点)的容器中，达到热平衡后利用4 1/2精度的电阻电压表，采用4线制测量方式测量出该传感器在0.01℃下的阻值作为R0。将传感器置于＞0.01℃的环境中测量出相应的阻值Rt，利用公式导出的该环境温度值的计算式:

2.2 PN结温度传感器

硅半导体PN结的电流特性可用下式来表示:

式中:Is是PN结的反向饱和电流，T是热力学温度(K)，k是玻尔兹曼常数，Upn是正向结电压，q0是电子的电量。显然，如果正向配置PN结电压Upn且维持结电流I为某个恒定值I0，则Upn与T的比值应为恒量C，即

使用摄氏温度(℃)t来表示时，

式中:比例常数K就是PN结正向压降的温度系数，UZ0是一个与温度无关的正向结压降。对于硅半导体PN结，UZ0≈600 mV，温度系数K≈2.3 mV/℃，线性度和重复性都很好，本实验采用4018二极管并将其密封。

2.3 信号调理

使用的信号调理模块由低漂移、低功耗仪表放大器AD620构成，输出电压UO为

式中G是增益，且

2.4 传感器的工作电源

利用LM334 3端可调电流源芯片构建成一个零温度系数的200μA恒流源，见图2。

图2 零温度系数恒流源

2.5 数字电压表

利用数字电压表测量出通过信号调理模块后的输出电压，根据一定的比率关系得到待测温度值。

3 数字温度计的组装

采用图3所示的电路，由于PN结压降的温度系数为负值，所以温敏信号应输入到信号调理模块的-IN端，补偿电压需连接到+IN端，组装后的实无图，见图4。

图3 基于pn温敏效应的数字温度计

图4 数字温度计实物图

4 数字温度计定标校准与数据测量

先在输入电压(U+IN-U－IN)=0时，可以通过调节REF端的电位E0为模块校准零点。再将二极管D置于冰水混合液中，当数字电压表的读数基本稳定后，调节EC至数字电压表的读数为零，此时已基本实现了对传感器0℃输出的补偿。然后再将二极管D置于如图1所示的加热器中(水浴锅)并将水煮沸，当标准温度计的读数基本稳定后，调节图3中的RG使数字电压表的读数与标准温度计的读数大小相同即可实现对传感器温度系数斜率的标定。

图5 数字温度计校正曲线

然后开始测量数据，将二极管和铂电阻同时置于冰水混合液中，当数字电压表的读数基本稳定后，同时读出电阻电压表和数字电压表的读数，然后向混合液中加水使其温度升高记录他们的读数，然后再将传感器置于如图1所示的水浴锅并将水煮沸，再记录他们的读数如表1所示。最后，画出校正曲线，见图5。

表1 校正数据表

［1］肖波齐.半导体温度计的计算机仿真［J］.大学物理实验，2009，22(3):75-79.

［2］潘学军.0.01℃的数显温度计［J］.物理实验，2003，23(5):22-25.

［3］林上金，胡澄，李延标，等.热敏电阻数字温度计设计制作实验的线性化方案探究［J］.大学物理实验，2011，24(1):23-25.

［4］王小旗，李新路.基于PN结传感器的发电机定子温度监测研究［J］.产品与技术，2012(1):108-109.