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基于PN 结传感器的温度测量仪设计一、课程设计目的测控系统课程设计是在学生学习完智能仪器理论和实验课后安排的综合实践教学环节，通过课程设计使学生在实践上获得智能仪器设计的经验，掌握仪器设计的步骤、过程和方法。
为毕业设计及今后从事智能仪器设计打下良好的基础。
本次课程设计研究的主要内容为传感器及信号调理电路、CPU 及其外围电路，AD 转换电路，键盘和显示电路。
本文对其中关键部分做简单介绍，以使学生能更容易地进行课程设计。
智能仪器的组成一般包括：传感器及信号调理电路、CPU 及外围电路、模拟量输入通道、模拟量输出通道、开关量输入输出通道、人机接口电路、数据记录、转储等。
二、工作原理2.1晶体二极管或三极管的PN 结的结电压是随温度而变化的。
PN 结具有负的温度系数特性。
据文献记载，当温度变化一度时，结电压变化2mv 左右。
温度变化曲线为指数型非线性变化。
其正向偏置电流应保持恒定。
2.2 大多数的材料的电阻性能都会随温度的升高而增大，少数的负温度特性的材料温度升高电阻反而降低。
将电阻接入电路中，再把不同温度下的电压变化记录下来，通过分析电流的变化就可以推测电阻的变化。
根据记录的数据绘出温度-电压拟合曲线图，就可以通过测量电压，推测出温度的数值来测量温度。
三、方案设计3.1利用PN 结温度传感器，配以A ／D 转换电路，本次设计中采用的是1N4007整流二极管，PN 结具有负的温度系数特性。
CPU 采用LPC2138微控制器，理由是其小尺寸和低功耗微控制器LPC2138是小型化应用的理想选择。
3.2当温度变化一度时，结电压变化2mv 左右。
温度变化曲线为指数型非线性变化。
其正向偏置电流应保持恒定。
通过三运放放大电路进行信号处理，选取端点温度记录端点的电压，得出温度电压的拟合曲线。
再将放大的电压信号输入LPC2138进行处理，通过得出的温度电压拟合曲线来计算出温度并通过显示屏进行输出。
设计框图：四、温度传感器的工作原理根据半导体理论，通过PN结的正向电流If与PN结压降Vf之间存在下述关系：式中，Is为反向饱和电流；q为电子电量；K为波尔磁曼常数；T为热力学温度。
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。
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。
⼤学物理实验PN结正向压降与温度特性的研究实验报告（完整）PN 结正向压降与温度特性的研究⼀、实验⽬的1．了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。
2．在恒流供电条件下，测绘PN 结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。
3．学习⽤PN 结测温的⽅法。
⼆、实验原理理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 存在如下近似关系)exp(kTqV Is I FF = （1）其中q 为电⼦电荷；k 为波尔兹曼常数；T 为绝对温度；Is 为反向饱和电流，它是⼀个和PN 结材料的禁带宽度以及温度等有关的系数，可以证明])0(ex p[kTqV CT Is g r -= （2）（注：（1），（2）式推导参考刘恩科半导体物理学第六章第⼆节）其中C 是与结⾯积、掺质浓度等有关的常数：r 也是常数；V g (0)为绝对零度时PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。
将（2）式代⼊（1）式，两边取对数可得11)0(n r F g F V V InT q kT T IcIn q k V V +=--= （3）其中()rn F g InT qKTV T Ic In q k V V -=???? ?-=11)0(这就是PN 结正向压降作为电流和温度函数的表达式，它是PN 结温度传感器的基本⽅程。
令I F =常数，则正向压降只随温度⽽变化，但是在⽅程（3）中，除线性项V 1外还包含⾮线性项V n1项所引起的线性误差。
设温度由T 1变为T 时，正向电压由V F1变为V F ，由（3）式可得[]rn F g g F T T q kT T T V V V V---=1111)0()0( （4）按理想的线性温度影响，VF 应取如下形式：)(111T T TV V V F F F -??+=理想（5） TV F ??1等于T 1温度时的T V F ??值。
由（3）式可得r qk T V V T V F g F ---=??111)0( （6）所以()[]()r T T q kT T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=----+=理想（7）由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相⽐较，可得实际响应对线性的理论偏差为()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(11+--=-=?理想（8）设T 1=300°k ，T=310°k ，取r=3.4*,由（8）式可得?=0.048mV ，⽽相应的V F 的改变量约20mV ，相⽐之下误差甚⼩。
・仪器设备研制、改进与维修・P N 结温度传感器实验系统的研制3高泽利33, 吴杰(昆明医学院昆明650031摘要:介绍了根据教学需要而设计开发的P N 结温度传感器实验系统。
学生可以利用该系统测量不同P N 结的温度-电压特性; 对测量数据进行线性回归分析; 根据回归分析的结果, 进行温度测量。
关键词:P N 结; 传感器; 放大器; A /D转换器; 单片机; 显示器中图分类号:TP212・11文献标识码:B 文章编号:1672-4550(2006 02-0105-04D evelop m en t of the PN en t a lSyste m G AO J ieCollege Kun m ing 650031Abstract:paper intr oduces the P N juncti on sens or experi m ental syste m of te mperature devel 2oped by the author according t o the needs of teaching 1Students can use the syste m t o measure the te m 2perature -voltage characteristic of different P N juncti ons and carry on linear regressi on analysis of the da 2ta measured 1According t o the linear regressi on analysis result, te mperature survey can be taken with the syste m 1Key words:P N juncti on; sens or; a mp lifier; A /Dconverter; single -chi p co mputer; dis p layP N 结两端的结电压的变化量与温度之间有很好的线性关系, 因此, P N 结可作为温度传感器, 用来测量温度。
