1、1中国石油大学 智能仪器 实验报告 成 绩： 班级： 姓名： 同组者： 教师： 晶体管温度传感器及电子温度计【实验目的】1. 了解半导体晶体管的温度特性。2. 了解晶体管温度传感器的结构、工作原理及响应特性。3. 掌握晶体管温度传感器电压温度特性的测量方法。4. 了解电子温度计的电路结构和设计方法。【实验原理】1. 半导体二极管及其特性当用扩散的方法在 P 型半导体中掺入 N 型杂质或在 N 型半导体中掺入 P 型杂质时，扩散的结果使得两种材料的交界处空穴与电子达到动态平衡并形成 PN 结。由于 PN 结具有单向导电性，因此可用来制作半导体二极管、稳压管、可控硅及三极管；其中半导体二极管和稳压
2、管由一个 PN 结构成，半导体三极管和可控硅图 1-1 二极管的结构及符号由两个 PN 结构成。二极管的结构及符号见图 1-1，根据使用的半导体材料不同二极管分为锗（Ge）型和硅（Si）型，根据结构划分为点接触型（图 1-1(a)） 、面接触型（图 1-1(b)）和硅平面型二极管（图 1-1(c)） ；其中点接触型二极管由于结面积小、结电容小而适用于高频工作，常用于高频检波和用作高速开关，面接触型和硅平面型二极管由于结面积大而适用于低频大电流整流。二极管在正向电压作用下会使 PN 结变薄，从而形成正向电流，在反向电压作用下会使 PN 结变厚，无法形成反向电流，这就是二极管的单向导电性，二极管的
3、正向特性见图 1-2。2从图 1-2 中可以看到，二极管的正向特性曲线呈非线性，根据半导体理论可以得出二极管的正向电流为： （1-1 ） )1(TgdVsdeI正向电压为： （1-2）)ln(sdgdIqkTV式（1-1） 、 （1-2）中： 禁带宽度 ； ；g/qkT/波耳兹曼常数；KJk1038.23单位电荷；Qq96二极管反向饱和电流（与温度有关） ；sI A/由式（1-2）得，二极管的正向电压不但与电流有关，而且与环境温度有关，当二极管电流 一定dI时，二极管的电压 与温度成一定关系，在温度不太高的情况下， 与环境温度成正比，dVdV即： （1-3）TVgd图 1-2 二极管正向特性这
4、里， 是与二极管电流有关的系数，当二极管电流一定时， 为常数，因此 被称之为二极管 的电压温度系数或测温灵敏度，可表示为：（1-4 ）TV表示环境温度变化 所引起的二极管电压变化，单位为 ，通常在C1 Cm/3范围内， 。C1504CmV/2利用二极管的电压温度特性可以制做成温度传感器，电子温度计和电子控温仪等测温与控温设备，图 1-3 为用半导体 PN 结制成的铠装温度传感器示意图。1半导体 PN 结 2引线 3填充材料 4金属外壳图 1-3 铠装半导体 PN 结温度传感器示意图2. 半导体电子温度计的组成与温度测量半导体电子温度计以半导体温度传感器作为传感器件，由测温传感器、恒流源、放大器
5、、零点调节、量程调节和显示仪表等组成。来自温度传感器的信号经过相应的信号处理后得到反映被测温度的电压信号，通过经过标定的显示仪表显示出温度值，其测温精度可以达到。 图 1-4 为半导体电子温度计的组成框图，图 1-5 为电路原理图。C1.0图 1-4 半导体电子温度计组成框图图 1-5 中的半导体二极管 D 密封在薄铜管中作为温度传感器， T1、D1、R1、R2 组成恒流源为温度传感器供电，电位器 RW1、RW2 起零点调节和量程调节作用，显示仪表为指针式或数字式电压表，测温范围： ，测量精度可以达到 。C10%5.0半导体温度传感器恒流源前置放大器零点调节信号放大器量程调节显示仪表4图 1-
6、5 半导体电子温度计电路原理图3. 晶体管温度传感器的响应特性传感器的响应特性反映传感器对被测对象的反应速度，反应速度越快，说明传感器对被测量的快速跟踪能力越强。由于每种传感器均存在响应惯性，对于铠装晶体管温度传感器来讲，其响应惯性主要来源于金属外壳内填充材料的热传导能力或铠装体的热容量，填充材料的热传导能力强，则热惯性小，传感器的热响应速度快，因此填充材料最好采用导热硅脂或导热硅胶。由于传感器的响应特性符合指数规律，相当于在阶跃信号作用下惯性电路的输出特性，即：（1-5）)1(tioeKV式（1-5）中， 比例系数， 阶跃输入信号或测量环境突变， 时间常数（秒） 。i 当 时，输出能力达到最
7、大能力的 63%，当 时，输出能力达到最大能力的 98%。t 4t因此， 被看作是惯性系统响应能力的标志， 越小，响应速度越快，见图 1-6。0 4t图 1-6 传感器的响应特性【实验装置】晶体管电子温度计实验仪、电热杯、直流数字式电压表、秒表、标准温度计、数字温度计等。【实验内容】1. 半导体二极管电压温度特性的测量直流数字电压表接晶体管电子温度计实验仪“PN+”和“PN-”输出口，打开电源开关，直流数字电压表选择 2V 档。将铠装晶体管温度传感器与标准温度计捆绑在一起组成搅拌棒，在保温杯中加入适量的冰块和少量的水，以冰为主，用搅拌棒充分搅拌成 的冰水混和液，读取并记录C0时直流数字电压表的
8、读数PN 结电压，然后在玻璃杯中加入约 100ml 水，用注射器抽取适量C0冰水注入玻璃杯中，调水温为 （水温高于 20 时，先调 20 后调 ） ，将电压表读数C101ioKV63%98%5记入表 1-1，电热杯中加入约 400ml 水开始加热并不断用搅拌棒搅拌，使水中各部分温度均匀，dV同时使铠装晶体管温度传感器热传导加快，水温每升高 读取一下直流数字电压表读数 并C10dV记入表 1-1，一直到 水沸腾为止，在直角坐标纸上绘出半导体二极管的结电压 温度关系C10曲线。2. 晶体管电子温度计的标定测量将铠装晶体管温度传感器再放入 的冰水混和液中，调整晶体管电子温度计实验仪上的0“零点”调节
9、旋钮，使实验仪上的仪表指到零；然后将温度传感器放入 的开水中，调整实C10验仪上的“满度”调节旋钮，使实验仪上的仪表指到 。电热杯停止加热，将开水倒入另一10烧杯中（电热杯再装入约半杯以上的水继续加热，为下一内容做准备） ，烧杯放在平台上，使水自然降温，水温每下降 读取一次实验仪上的仪表读数，降温过程可向烧杯中逐渐加入少许冷水，C10用搅拌棒充分搅拌使水温均匀下降，一直到 为止，将数据记入表 1-2，计算标定相对误差：C10，其中 为各标定点处实验仪上的仪表读数与标准温度计读数之差的最大%10maxmax值。3. 晶体管温度传感器响应时间常数的测量将晶体管温度传感器先放入 的冰水混和液中冷却，
10、然后提出迅速放入 的开水中，C0 C10同时用秒表计时，观察晶体管电子温度计实验仪的仪表读数。由式（1-5）可知，当实验仪的仪表分别指到 63、86、95、 时立即停止秒表计时，此时秒表指示值 即分别为98 t1、2、3、4 倍的时间常数 ，重复测量 3 次记入表 1-3，取平均值后计算响应时间常数 和 ， 分析 产生的原因和减小 的方法。参照图 1-6 画出晶体管的温度响应特性曲线。【数据记录及处理】表 1-1 半导体二极管电压温度特性的测量水温 C/0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Vd/0.696 0.679 0.661 0.644 0.627 0.609
11、0.592 0.575 0.557 0.539 0.518根据表 1-1 的数据，作出半导体二极管的结电压 -温度关系曲线，如下图：由图中可以看出：当二极管电流一定时，在温度不太高的情况下，Vd 与环境温度成正比，且：=-1.8mV/6表 1-2 晶体管电子温度计的标定测量水温 C/0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100指示值 /0 10.4 19.6 30.1 40.3 50.4 60.1 69.7 78.7 87.5 100误差 C/0 0.4 0.4 0.1 0.3 0.4 0.1 0.3 1.3 2.5 0标定误差 2.5%实验时，温度由 100开始下降，加入
12、冰水进行测量，这样做使得 90时的误差明显大于温度低时的误差。表 1-3 晶体管温度传感器响应时间常数的测量T秒表指示值 st/1秒表指示值 st/2秒表指示值 st/3平均值 t/时间常数 s/时间常数 /s63 14.97 15.51 16.01 15.50 15.5086 27.63 28.19 29.54 28.45 14.2395 41.56 42.19 43.70 42.48 14.1614.39798 54.29 54.65 55.02 54.65 13.66由表 1-3 作出晶体管的温度响应特性曲线，如下图：【思考题】1. 半导体三极管也是由 PN 结构成，请问用三极管能否制做
13、成温度传感器？怎样设计？可以，使采用的三极管发射结温度特性尽可能一致，改为温度传感器时，利用其发射结作为温度传感 PN 结，并将基极与集电极短接，这样可以改善发射结的恒流性。2. 如果晶体管温度传感器不用恒流源供电，而采用恒压串电阻为传感器供电，请问它的电压温度特性是否为线性？为什么？是线性的，因为在同一工作电流的条件下，元件的电压值随温度呈线性变化，在工作温度范围内温度-电压关系为一直线。3. 晶体管温度传感器响应时间常数 的大小对晶体管电子温度计测温有何影响？分析减小时间常数 的具体方法。随时间常数 的缓慢增加温度逐渐增加到趋于平衡，所以晶体温度传感器响应时间常数的大小对晶体管电子温度计测温的灵敏度有影响。减小时间常数 大方法：填充材料采用导热硅胶使响应速度加快。【实验总结】晶体管电子温度计的标定测量时，要使烧杯中的水自然冷却，如果加入冰水，可能会使温度降低幅度增大，这样做会增大实验误差，本组实验时，刚开始没有控制好冰水的加入，使得 90的温度数据误差比其余温度的误差大很多。【原始数据】7
