PN结温度传感器测温实验

实验27 PN结温度传感器温度特性实验一，实验目的：定性了解PN结温度传感器的温度特性。

二，基本原理：晶体二极管，三极管的ＰＮ结正向电压是随温度变化而变化的，利用ＰＮ结的这个温度特性可制成ＰＮ结温度传感器。

目前用于制造温敏二极管的主要材料有砷化镓，碳化硅，硅等。

对于晶体二极管，当电流保持不变时，温度每升高１℃，正向电压下降约2mv。

他的温度系数为-2mv/℃，它具有线性度好，时间常数小（0，2~2秒），灵敏度高等优点，测温范围为:-50℃~+120℃。

其不足之处是离散性大，互换性较差。

三，常用器件与单元：机头应变梁中的PN结，加热器，主板中的F/V 表，-15V常用电源，1.2~12V可调电源，加热器，PN结，电桥，差动放大器，数显万用表。

四，实验步骤：1，用自备的万用表测量PN结传感器各引线之间的关系结构。

10.77M2，按图示接线，将F/V表切换开关至20V档检查接线无误后合上主电源，调节1.2~12V可调电源使F/V表显示为2V作为PN结工作电压Vs备用。

关闭主电源。

3，差动放大器调节：在主板上按图示意接线。

将F/V表的量程开关切换到200mV档，将差动放大器的拨动开关拨到开的位置，合上主电源开关。

将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆时针回转1圈，调节调零电位器，使F/V表显示电压为0.关闭主电源。

4，PN结室温时调零：按图27 5接线，将F/V表切换开关至2v档，检查接线无误后合上主电源开关。

调节W2使F/V表显示为0.5，将加热器接到-15V稳压电源上，观察F/V表的显示变化。

再将加热器电源去掉，再观察F/V表显示变化。

由此可见，当温度升高时PN 结电压下降，Vi升高。

当温度下降时，PN结电压升高，Vi下降。

实验完毕，关闭所有电源。

基于PN结传感器的温度测量仪设计摘要：温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。

本文介绍了基于PN结传感器的温度测量仪的工作原理，给出了实验电路图，在此基础上对实验数据进行了分析，并对其产生的误差进行了分析。

关键词：温度传感器、放大器、PN结、单片机正文：1.电路原理与设计方案1.1工作原理：晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。

通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器。

这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。

例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降-2mV，利用这种特性，一般可以直接采用二极管（如玻璃封装的开关二极管1N4007）或采用硅三极管（可将集电极和基极短接）接成二极管来做PN结温度传感器。

1.2设计方案：一种数字温度测量仪，其特征在于包括：一个恒流源电路；一个同恒流源相串联的PN结温度传感器，PN结传感器它输出一个同温度有关的电压信号；一个把上述与温度有关的电压信号转换成数字信号的A/D转器；一个同A/D变换器的输出端相连接从而把A/D转换器输出的与温度有关的数字信号显示出温度值的数字显示器；一个向A/D转换器的信号输入低端提供浮地0电位和基准电压VERF 的转换电路，以便使A/D转换器工作在浮地状态下和实现温度满刻度的调节；一个使恒流源、PN结温度传感器和电压转换电路的供电同A/D转换器隔离的电源隔离电路，以及一个分别向各个电路供电的电源组件。

2.程序设计2.1 Proteus软件设计电路2.1.1恒流源电路设计:为保证整个温度测量范围内PN结的正向电流恒定，PN结的正向偏置采用恒流源驱动。

采用三极管的特性特殊电路，让通过二极管的电流始终在100uA 左右。

2.1.2电桥电路的设计：采用电桥连接方式使放大传感器变化电压的差值。

电桥通过两个电阻和二极管并联构成，从而向放大器正负两端输入电压。

通过理论分析及仿真实验研究选择合适的电桥电路参数。

PN 结正向电压温度特性研究一、实验目的（1）了解PN 结正向电压随温度变化的基本规律。

（2）在恒流供电条件下，测绘PN 结正向电压随温度变化的关系图线，并由此确定PN 结的测温灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。

二、实验仪器PN 结正向特性综合实验仪、DH-SJ5温度传感器实验装置。

三、实验原理1、测量PN 结温度传感器的灵敏度 由半导体理论可知，PN 结的正向电流I F 与正向电压V F 满足以下关系：I F =I n (ⅇqV FkT−1)（1）式（1）中I n 是反向饱和电流，T 是热力学温度，q 是电子的电量。

由于在常温（例如300K ）时，kT/q 约为0.026V ，而PN 结正向电压约为十分之几伏，所以ⅇ^((qV_F)/kT)≫1，故式（1）中括号内的−1项完全可以忽略，于是有： I F =I n ⅇqV F kT（2）其中，I n 是与PN 结材料禁带宽度及温度等有关的系数，满足以下关系：I n =CTγⅇqV g0kT（3）式（3）中C 为与PN 结的结面积、掺杂浓度等有关的常数，k 为玻尔兹曼常数，γ在一定温度范围内也是常数，V g0为热力学温度0K 时PN 结材料的导带底与价带顶的电势差，对于给定的PN 结，V g0是一个定值。

将式（3）代入式（2），两边取对数，整理后可得：V F =V g0−(k q ln C I F )T −kTqln T γ=V 1+V nr （4）其中V 1=V g0−(k q ln CI F)T （5） V n r =−kTqln T γ （6）根据式（4），对于给定的PN 结材料，令PN 结的正向电流I F 恒定不变，则正向电压V F 只随温度变化而变化，由于在温度变化范围不大时，V n r 远小于V 1，故对于给定的PN 结材料，在允许的温度变化范围内，在恒流供电条件下，PN 结的正向电压V F 几乎随温度升高而线性下降，即 V F =V g0−(k q ln CI F)T（7）为了便于实际使用对式（7）进行温标转换，确定正向电压增量∆V [与温度为0℃时的正向电压比较]与用摄氏温度表示的温度之间的关系。

pn结温度传感器测温原理PN结温度传感器是一种常用的温度测量装置，它利用半导体材料的特性来实现温度的测量。

其基本原理是利用PN结的温度特性，通过测量PN结的电压变化来确定温度。

我们需要了解PN结的基本结构和特性。

PN结是由N型半导体和P型半导体通过P-N结界面连接而成的。

在PN结中，N型半导体的杂质浓度较高，具有多余的自由电子；而P型半导体的杂质浓度较低，具有多余的空穴。

当PN结两侧施加正向偏压时，空穴和自由电子会向结界面移动，并在结界面发生复合，形成一个耗尽层。

这时，PN结的两侧形成了一个电势差，即开启电压。

在温度变化的情况下，PN结的电压也会发生变化。

具体来说，温度升高时，晶体中的载流子活动度增加，电子和空穴的浓度会增加，导致开启电压的降低。

反之，温度降低时，载流子活动度减小，电子和空穴的浓度减少，导致开启电压的增加。

因此，通过测量PN 结的开启电压，我们可以间接得到温度的信息。

为了更准确地测量温度，PN结温度传感器通常会与电路进行组合使用。

一种常见的电路是电流源电路。

该电路通过将PN结与一个电流源相连接，使PN结形成一个负反馈环路。

当温度变化时，PN 结的电压发生变化，会导致电流源输出电流的变化。

通过测量输出电流的变化，我们可以进一步计算出温度的变化。

除了电流源电路，还有其他一些常见的电路配置，如电压源电路和差分放大电路等。

这些电路的目的都是为了将PN结的温度变化转化为电压或电流的变化，进而实现温度的测量。

需要注意的是，PN结温度传感器在使用过程中也存在一些局限性。

首先，温度传感器的精度受到PN结本身材料特性的影响，以及环境温度的影响。

其次，在实际应用中，PN结温度传感器的响应时间较长，通常需要一定的时间才能达到稳定状态。

此外，温度传感器还对外部电磁干扰比较敏感，需要采取一定的屏蔽措施来提高测量的准确性。

PN结温度传感器是一种利用PN结温度特性来测量温度的装置。

通过测量PN结的电压变化，结合相应的电路配置，我们可以实现对温度的准确测量。

天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[exp(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。

若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出/e kT 。

在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。

实验线路如图1所示。

2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。

其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。

运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。

因而有：00(1)i i s f fU U U K I R R -+== (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为001i f fx s U R R Z I K K ==≈+ (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图图2 电流－电压变换器i s fr U U I Z R ==- (6) 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。

PN结正向压降与温度特性的研究【实验目的】1.研究pn结正向压降与温度之间的关系。

2.提出利用pn结的这个特性设计温度传感器的方案。

【实验仪器】1. pn结物理特性实验仪。

2. 保温杯。

3. 开水、冰块等。

【实验原理】1.理想的pn结正向电流IF 和压降VF 存在如下近似关系式中，q 为电子电量，K=1.38×10－23J•K-1为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，Im 为反向饱和电流，它的大小其中C 是与半导体截面积、掺杂浓度等因素有关的常数；γ是热学中的比热比，也是一个常数；Vg(0)是热力学温度T=0 时，PN 结材料的能带结构中，它的导带底、价带顶之间的电势差—8212 —半导体材料的能带理论中，把有电子存在的能量区域称作价带，空着的能量区域叫导带，而电子不能存在的能量区域叫禁带。

将式(2)带入式(1)，两边取对数可得（3）其中，。

式(3)是PN 结温度传感器的基本方程。

当正向电流IF 为常数时，V 1 是线性项，Vn 1 是非线性项，这时正向压降只随温度的变化而变化，但其中的非线性项Vn 1引起的非线性误差很小(在室温下，γ=1.4 时求得的实际响应对线性的理论偏差仅为0.048mV)。

因此，在恒流供电情况下，PN 结的正向压降VF 对温度T 的依赖关系只取决于线性项V 1，即在恒流供电情况下，正向压降VF 随温度T 的升高而线性地下降，这就是PN 结测温的依据。

我们正是利用这种线性关系来进行实验测量。

必须指出，上述结论仅适用于掺入半导体中的杂质全部被电离且本征激发可以忽略的温度区间，对最常用的硅二极管，温度范围约为-50℃—50℃，若温度超出此范围，由于杂质电离因子减小或本征激发的载流子迅速增加，VF —T 的关系将产生新的非线性。

更为重要的是，对于给定的PN 结，即使在杂质导电和非本征激发的范围内，其线性度也会随温度的高低有所不同，非线性项Vn 1 随温度变化特征决定了VF —T 的线性度，使得VF —T 的线性度在高温段优于低温段，这是PN 结温度传感器的普遍规律。

温度传感器的温度特性测量实验【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。

【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）。

【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。

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/-=kT qU S e I I （1）在常温条件下，且1/〉〉KTqU e时，（7）式可近似为kT qU S e I I /= （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）（3）式中Ugo 为半导体材料参数，K 为PN 结的结电压温度系数。

温度传感器的温度特性测量【目的要求】1、学习用恒电流法和直流电桥法测量热电阻；2、测量铂电阻和热敏电阻温度传感器的温度特性;3、测量电压型、电流型和PN结温度传感器的温度特性；【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、测温范围和特点见表1。

本实验将通过测量几种常用的温度传感器的特征物理量随温度的变化，来了解这些温度传感器的工作原理．表1常用的温度传感器的类型和特点一、直流电桥法测量热电阻直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如图1所示，图1把四个电阻R 1，R 2，R 3，R t 连成一个四边形回路ABCD,每条边称作电桥的一个“桥臂”在四边形的一组对角接点A 、C 之间连入直流电源E ，在另一组对角接点B 、D 之间连入平衡指示仪表,B 、D 两点的对角线形成一条“桥路”,它的作用是将桥路两个端点电位进行比较，当B 、D 两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示器示值为零，电桥达到平衡。

指示器指零，有U AB =U AD ,U BC =U DC ，电桥平衡，电流Ig=0,流过电阻R 1、R 3的电流相等，即I 1=I 3,同理I 2=IR t ，因此311322t t R R R R R R R R =⇒= 若12R R =，则有：3t R R =（1）二、恒电流法测量热电阻恒电流法测量热电阻，电路如图2所示,图2电源采用恒流源，R 1为已知数值的固定电阻，R t 为热电阻.U R1为R1上的电压，U Rt 为R t 上的电压，U R1用于监测电路的电流,当电路电流恒定时则只要测出热电阻两端电压U Rt ,即可知道被测热电阻的阻值。

当电路电流为I o ，温度为t 时，热电阻R t 为11R RtO Rt t U U R I U R ==（2） 三、Pt100铂电阻温度传感器Pt100铂电阻是一种利用铂金属导体电阻随温度变化的特性制成的温度传感器。

天津大学物理实验报告姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师：【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足：]1)/[exp(0-=kT eU I I (1)当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有：0exp(/)I I eU kT = (2)也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。

若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出/e kT 。

在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。

实验线路如图1所示。

2、弱电流测量LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。

其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。

运算放大器的输入电压0U 为：00i U K U =- (3)式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。

因而有：00(1)i i s f fU U U K I R R -+== (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为001i f fx s U R R Z I K K ==≈+ (5)由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即：图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图图2 电流－电压变换器i s fr U U I Z R ==- (6) 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得s I 值。

实验三PN结温度传感器测温实验实验目的：了解PN结温度传感器的特性及工作情况。

所需部件：主、副电源、可调直流稳压电源、-15V稳压电源、差动放大器、电压放大器、F/V 表、加热器、电桥、温度计。

旋钮初始位置：直流稳压电源±6V档，差放增益最小逆时针到底（1倍），电压放大器幅度最大4.5倍。

实验原理：晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。

例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降约2.1mV，利用这种特性可做成各种各样的PN结温度传感器。

它具有线性好、时间常数小（0.2～2秒），灵敏度高等优点，测温范围为-50℃～+150℃。

其不足之处是离散性大互换性较差。

实验步骤：(1)了解PN结，加热器，电桥在实验仪所在的位置及它们的符号。

(2)观察PN结传感器结构、用数字万用表“二级管”档，测量PN结正反向的结电压，得出其结果。

(3)把直流稳压电源V+插口用所配的专用电阻线（51K）与PN结传感器的正向端相连，并按图37接好放大电路，注意各旋钮的初始位置，电压表置2V档。

图三（4）开启主、副电源，调节W1电位器，使电压表指示为零，同时记下此时水银温度计的室温值（△t）。

（5）将-15V接入加热器（-15V在低频振荡器右下角），观察电压表读数的变化，因PN结温度传感器的温度变化灵敏度约为：-2.1mV/℃。

随着温度的升高，其：PN结电压将下降△V，该△V电压经差动放大器隔离传递（增益为1），至电压放大器放大4.5倍，此时的系统灵敏度S≈10mV/℃。

待电压表读数稳定后，即可利用这一结果，将电压值转换成温度值，从而演示出加热器在PN结温度传感器处产生的温度值（△T）。

此时该点的温度为△T+△t。

注意事项：（1）该实验仅作为一个演示性实验。

（2）加热器不要长时间的接入电源，此实验完成后应立即将-15V电源拆去，以免影响梁上的应变片性能。

课后问题：（1）分析一下该测温电路的误差来源。

（2）如要将其作为一个0～100℃的较理想的测温电路，你认为还必须具备哪些条件？（1）将电桥中1 与直流稳压电源中1相连，电桥中2与差动放大器中2相连，电桥中3与差动放大器中3相连；（2）差动放大器中1与PN结中1相连，PN结中1与直流稳压电源1又用51K电阻线相连，PN结中2与直流稳压电源2相连；（3）差动放大器中的4与电压放大器中的4相连，电压放大器中的7接F/V表的Vi孔；（4）当接入-15伏电压接入加热器时，低频振荡器的8与加热6相连，加热5与地相连。

PN结温度传感器性能的实验研究学生XX 指导教师：XX内容摘要：本课题通过实验对不同类型的半导体PN结器件进行正向压降与温度特性的测量，获取实验数据，通过整理、分析、比较、综合实验数据，从中比较各器件灵敏度，线性度的优劣，为合理选用PN结温度传感器提供依据。

主要分析了不同型号的二极管的温度特性，同一种型号的3个二极管的温度特性分析，同一种型号二极管在不同的恒定电流下的温度特性和同一个二极管多次测量的温度特性，主要测量型号有2CP11，1N4007型二极管，FG314050型发光二极管，2CW117型二极管，2CN2型二极管以及用来作对照实验的S9014型三极管。

关键词：PN结温度传感器线性度Study for PN junction sensor experimental performance of thetemperatureAbstract: It is used to measure forward voltage drop and temperature characteristic of different type's PN semiconductors in order to obtain the data of experiment. By neatening, analyzing, comparing, synthesizing data, it is a comparison of these component about the strengths and weaknesses of response rate and linearity in order to provide for reason of legitimately choosing PN junction temperature transmitter.The experiment analyses temperature characteristic of different model diodes,the temperature characteristic of the same model for three diodes,the temperature characteristic of the same model diode when it is constant current ,and the several measurements of same model diode about the temperature characteristic. And the major types include 2CP11, 1N4007 diodes, 2CW117 diode , 2CN2 diode and S9014 dynatron which are used for controlling experiment.Keywords: PN junction temperature sensor linearity目录前言.............................................................................................. 错误！未定义书签。