实验晶体管温度传感器及电子温度计

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1、实验一品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一一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型半导体屮掺入N型杂质或在N型半导体屮掺入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。巾于PN结眞有单向导电性，因此可用來制作半导体二极管、稳压管、可控硅及三极管。从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：ViId=Is(e-1)(1-DkTI正

2、向电压为：Vf/=——ln(_(1-2)式(1-1)、(1-2)中：匕一一禁带宽度/V;VT=kT/q；k=].3SxQ-23J/K——波耳兹曼常数；＜7=1.6O2xlO~,9e一一单位电荷；/、.一一二极管反向饱和电流(与温度有关)/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，当二极管电流心一定时，二极管的电压V；与温度成一定关系，在温度不太高的情况下，匕与环境温度成正比，6卩：-pT(1-3)图1-1二极管正向特性这里，是与二极管电流有关的系数，当二极管电流一定时，为常数，因此夕被称之为二极管的电压——温度系数或测温灵敏度，可表示为：p=—A

3、T(1-4)0表示环境温度变化1QC所引起的二极管电压变化，单位为mV/QC，通常在-40°C〜150°C范围内，利用二极管的电压一一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1-2为用半导体PN结制成的铠装温度传感器示意图。1一一半导体PN结2—一引线3—一填充材料4一一金屌外壳图1-2铠装半导体PN结温度传感器示意图1.半导体电子温度计的组成与温度测量半导体电子温度il•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、零点调节、U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

4、S示仪表显示出温度值，其测温精度可以达到±0.1QC。图1-3为半导体电子温度计的组成框图，图1-4为电路原理图。恒流源I零点调节景程调节半导体温V▼gf人感2＞前•胃.放大器►信号放大器►显示仪表图1_3半导体电子温度计组成框图图1-4半导体电子温度计电路原理图1.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/惯性电路的输岀特性，即Vo=KV^i-e'7）（1-5）式（1-5）屮，尺一一比例系数，V；.—一阶跃输入信号或测S环境突变，r一一时间

5、常数（秒）。当z=?■时，输出能力达到最大能力的63%,当f=4r时，输fli能力达到最大能力的98%。因此，r被看作是惯性系统响应能力的标志，r越小，响应速度越快，见阁1-5。【实验仪器及装置】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.半导体二极管电压一一温度特性的测量2.晶体管电子温度计的标定测量3.晶体管温度传感器响应时间常数的测量【数据记录与数据处理】表1-1半导体二极管电压一一温度特性的测量水温/°c0102030405060708090100yjy0.6870.6940.6510.6210.6000.5810.56

6、20.5420.5260.5180.508由上表画出特性曲线并进行线性拟合如下图.•阁1-1半导体二极管电压一温度特性曲线如上图可以发现，电压一温度的线性度较好，可以应用在某些线性测量的场合中。水温/°c0102030405060708090100指示值"C09.919.830.440.550.860.271.381.691.999.9误差A/°C0-0.1-0.80.40.50.80.21.31.61.9-0.1标定误差0.13%表1-2晶体管电子温度计的标定测量如上表可以看出，晶体管电子温度计在测量时确实有一定的误差，这可能是由于测量时人员的操作所带来的误差所导致的。并且巾于实

7、验条件的限制，实验不可避免会有一些误差。表1-3晶体管温度传感器响应时间常数的测量T°C秒表指示Is秒表指示Vit2/s秒表指示mt3/s平均値t!s时间常数t/s时间常数T/s6312.6413.9613.3612.9513.568622.1322.8723.3523.7723.1013.239538.4937.9637.7638.2339.119849.8749.9450.2350.4348.79下阁是响应时间常数的测:W:l礼图1-2品体管温度传感器响应时间常数