温度传感器测试及半导体制冷控温

半导体制冷是啥
半导体制冷技术是一种利用半导体材料的热电效应来实现制冷的技术。

在半导
体材料中，当一个电流通过时，会产生热量，同时也会在材料的一端产生冷量，这就是热电效应。

通过合理设计半导体制冷器件的结构，可以利用这种热电效应将热量从一个一边传递到另一边，实现制冷的效果。

半导体制冷技术相比传统的压缩式制冷技术具有许多优点。

首先，半导体制冷
器件体积小巧轻便，可以实现微型化制冷装置，适用于一些对体积和重量要求较高的场合。

其次，由于半导体制冷技术无需使用制冷剂，能够减少环境污染，更加环保。

此外，半导体制冷技术响应速度快，制冷效率高，对温度波动的响应能力强，适用于一些对温度控制要求精确的场合。

在实际应用中，半导体制冷技术已经被广泛应用于微型冰箱、车载制冷装置、
医疗设备和激光系统等领域。

未来随着半导体材料技术的发展和完善，半导体制冷技术有望在更多领域得到应用，为人类创造更多便利和舒适的生活环境。

总的来说，半导体制冷技术利用半导体材料的热电效应实现制冷，具有体积小、环保、高效等优点，已经在各个领域得到广泛应用，未来发展潜力巨大。

如何控制和补偿半导体制冷器摘要在很多需要精密温度控制的设备中经常可以看到半导体制冷器;对温度及其敏感的组件往往与TEC和温度监视器集成到一个单一热工程模块;半导体制冷器也可以通过翻转电流而制热;TEC非常小的体积为精密控制单个组件例如,光纤激光器驱动器,高精度的参考电压或任何温度敏感型设备的温度提供了可能;此应用手册简要讨论TEC设计的起源和历史,然后概述了TEC基本操作;随后又说明了TEC的控制和补偿问题;该文最后详细分析了TEC控制的优化以及优化方程;关键字：PID、DWDM、SFF、SFP、光纤、激光模块、热电冷却器,热电偶、TEC,温度控制,热循环热敏电阻简介1821年托马斯· 塞贝克发现,两个不同的材料的导体连在一起,并且两个材料各自的温度不同的时候,这个环路内就会有电流流过;十二年后,皮尔贴发现了与这一现象相反的效果：通过削减环路中的一个导体,使外部电流流经环路,然后就可以发现两个连接点之间有温度差出现,这一现象后来被称作皮尔贴效应;由于那时的材料所限,皮尔贴效应中材料之间的温度差有大部分都是大电流流过材料所产生的电阻热;随着近来材料学的不断进步,这些连接点制热或制冷的效应越加变得实用化,它可以作为热电泵,使用起来和基于氟碳蒸气压缩的制冷方式并没有太大的差别;虽然TEC仍然不如氟碳蒸发循环设备更加实用,但是它没有移动部件和工作流体,这就为制冷设备小型化提供了可能;基本工作原理由于皮尔贴效应可以通过电流线性控制,半导体制冷器TEC已经在涉及精密温度控制的设备中得到了大量的应用;温度敏感型器件、TEC、温度传感器被集成到一个单一的模块中; TEC控制需要一个电平可以翻转的电源以提供正电压和负电压;要想在单电源设备中做到这一点,那么完全可以使用H桥电路;线性稳压电源总会有纹波,同时它的效率非常低,需要大体积的元件并且还要做好热隔离防止调整管发出的热量加载到制冷器上;但是两个有着互补驱动的同步降压电路能够从单电源获得双电源,同时使单一正电源供电有更高的效率;强外加的脉冲宽度调制PWM控制两个输出电压,使流经TEC的电流改变大小和方向;通过电流的不断改变,小体积的TEC可以高精度控制各种分立器件的温度,如光纤激光驱动器,精密电压基准,或任何其它的温度敏感型器件;也可以通过翻转流经TEC的电流使它制热;TEC功率控制MAX1968和MAX1978是一种用来驱动基于皮尔贴效应的半导体制冷器的高集成度H桥PWM开关式驱动芯片;MAX1968是一个符合成本效益的解决方案,因为它集成了4个电源开关控制和PWM控制,它采用28引脚耐热增强型TSSOP-EP封装;MAX1978而是48引脚TQFN-EP 封装,它包括MAX1968所有的电路,以及建立热反馈回路的放大器; MAX8520和MAX8521分别采用采用20引脚TQFN封装MAX8520和36焊球WLP封装MAX8521,提供了最小的PCB封装解决方案;MAX1978裸露的散热片使其包装可耗散热量高达,并且内部集成有电压转换模块,可以从单一5V电源的到双极±3V,驱动电流3A的电压;开关频率可以在500kHz或1MHz切换;独立的正和负输出电流阈值和电压阈值控制电路已经在芯片上集成,并且可以通过外部电阻器对其进行设定;模拟控制信号精确地设置流经TEC电流的大小而不关注TEC两端的电压;高度集成的MAX1978提供了成本合理,体积合适的驱动控制TEC的解决方案,并且这一方案的控制闭环只需要一些无源外部元件;使用控制闭环来调节TEC温度为了达到精密控制温度的目的,需要TEC模块内或附近的温度监视器发送温度信息与基准相比较,产生一个误差信号;该误差信号被放大,并发送到TEC; TEC然后制热或制冷以改变器件温度,本地监控温度随之改变从而完成循环;如同任何控制回路,稳态精度与DC环路增益密切相关;由于大量杂散热量的原因,环路对TEC 温度变化的反应时间可能要有几十秒之多;因此,TEC和监控回路需要一个补偿电路以避免振荡和过冲;又因为最终积分器需要大的时间常数,很难找到大容量的电容器同时具有足够的低泄漏,以实现高的直流增益;因此,要实现稳定,最小尺寸的积分电容必须认真选择;要想对热闭环进行补偿,就必须理解的TEC模块的热响应;可以通过使用MAX1968或MAX1978作为一个驱动器测量的TEC模块的低频响应、在该模块的内部的热敏电阻,或者亚赫兹像能力和网络分析仪如同安捷伦HP3562A动态信号分析仪;大多数激光二极管TEC模块的性能大都接近双极型系统two-pole的行为的系统;第一极在20mHz,第二极在1Hz;如果没有网络分析仪,那么测量直流增益时可认为TEC的响应极点为20mHz和1Hz;虽然这个模型是很粗糙的,但是它可以帮助我们了解在完善闭环时的极限;由于模块有一个缓慢的20mHz的极,频率上升到1Hz后大约有90度的相移;由此可以看出,第二个极有一个潜在的振荡条件;在制冷模式下的TEC的响应如图1中的实线图形所示;由于TEC在同等电流注入下,制热能力是制冷能力的四倍,制冷制热频率响应相差大概有6dB;该模块的其他因素,如散热,环境温度,和内部产生的热量,也可能改变响应曲线;从不同的模块制造商也会有不同的反应;如果一个TEC模块没有内部的热敏电阻,所用的TEC 和热敏电阻的频率响应要单独测定;图1 TEC频率响应补偿回路比例积分微分PID控制器,如图2所示,是一个很好补偿方法;在这里可以对电路进行调整优化TEC响应;为了达到高的直流增益,积分器是必要的;在图2中的积分器是由C2构成的,并且积分器添加了响应曲线的第三极,R3使得电路更加使得稳定;R3插入一个零到之前的积分单位增益交叉;理想情况下,这应该发生在第一极点20mHz;并且可以推高到70mHz而没有任何稳定性问题;虽然这个过程中创建了一个从20mHz到70mHz的二阶响应,但是相位从未达到振荡条件180度;如图1中的红色虚线所示;图2 PID控制器的电路;图2中由C1,R1和R2形成的差分网络,又增加了零点来抹去第二1Hz的极点;这个零点提供了额外的相位裕度,使闭环在在更高的频率处截止;如图1中所示的蓝色虚线;虽然具有高环路带宽的快速响应是不需要的,高DC增益和小电容却是必不可少的;该补偿器使用C3使增益衰减到30Hz,从而减少噪声注入闭环;在TEC的应用中,这允许闭环在2Hz交叉,并为闭环在很宽的范围内提供良好的相位裕度; 图三所示TEC热闭环中为2Hz的交叉补偿的例子;尽量选择高阻值的R3以使积分电容C2尽可能小;然而这种方法也有弊端,它会使得PID的增益变小;因为我们必须在70mHz插入一个零点,我们使用关系：FZ1 = 1 /2π×C2×R3图3 热闭环原理简图前文已经说过,FZ1 = 70mHZ,如果选择R3 =243kΩ,那么C2 就应为μF;我们选择10μF设计;现在我们选择R1 =10kΩ;这使得前端放大器U2有足够的增益以减少反射积分器U1的错误,同时保持合理的电容器的尺寸;现在,我们必须插入一个零点以抹去第二个在1Hz的TEC响应曲线极点;因为我们希望得到良好的相位裕度,零插入所需的交叉频率除以至少5或;这给出了一个在交叉频率的一个更好的相位裕度;然后通过放置由R1创建的、至少5倍于交叉频率,或者10Hz的极点终止该零点;这限制了积分器的的增益;所以,因为：FZ2 = 1 /2π×C1×R2并且FZ2 = 和R2 =510KΩ,我们可以算出C1 =μF;我们选择C1为1μF;为了计算出R1的大小,我们使用关系：F3 = 1 /2π×C1×R1因为F3 =10HZ,C1 =1μF,这样我们可以知道R1 =Ω;使用10kΩ就可以提供更好的相位裕度;然后,我们必须设置衰减频率在30Hz;因为R3 =243kΩ,FC = 30Hz,并且：FC= 1 /2π×C3×R3我们知道C3 =μF;现在,TEC的响应已被优化,然后系统的增益必须进行调整,应在2Hz交叉,从图1中我们可以看到,在2Hz的未补偿产地函数中图中实线1具有-30dB的增益;如果我们希望有一个2Hz的单位增益交叉,我们必须在2Hz处提供+30 dB的增益;由于U1及其组成部分在2Hz有增益,我们必须在所需的系统增益总额中减去此增益从而找到前端增益;U1的增益由R3和C1决定;在2Hz处,R1、R2、C2和C3完全可以忽略;C1在2Hz阻抗可以由下式获得,即：XC =-j /2π×FC×C1因为C1 = 1μF,FC = 2Hz,那么：XC = ΩU1的幅度增益G为：G = | R3 / XC |由于R3 =243kΩ,XC =Ω,G = 或分贝;要想对此增益进行全面的分析,就不应忽视R1、R2、C2和C3,此时G = 或分贝,从而验证了我们的假设;现在,我们必须在前端再提供分贝的增益以完成2Hz处的增益交叉;前端增益部分有两个功能：它减少积分器U1产生的误差,和采集从热敏电阻传来的温度信息; 由R4、R5和U2图3所设定的直流增益需要足够高以防止该误差信号被PID补偿电路消除;由于R4 =10kΩ,R5 =100kΩ,那么前端增益是11或分贝,足以压倒分贝的PID补偿部分;从热敏电阻传来的温度读数以误差信号的形式被传递给PID控制部分;该误差信号表示的是实际温度和所需温度设定值之间的差异;U2输出的误差信号可以按照下式计算：这里的是通过10kΩ的电阻器连接到热敏电阻的参考值,RT是电阻热敏电阻,VSET是电压设定点;调节TEC温度的热闭环整个环路以及补偿值的例子如图3所示;通过了解在一个给定的温度下RT阻值的大小,可根据需要选择设定VSET的值,然后自动调节温度;此处使用一个跳线可选式数字-模拟转换器DAC或电位器来控制VSET;通过发送误差信号到PID调节补偿部分,然后它控制输入到到TEC驱动器的模拟信号,直到温度误差信号接近0,由此,器件的温度得以调节;由于PID补偿部分有着良好的相位裕度,该电路足以应对TEC增益在加热或冷却模式的变化;组件的选择该电路的组件选择将取决于所需的应用程序的具体要求;MAX1978提供有这种设计拓扑结构所需要的片上放大器;如果使用MAX1968,MAX8520,或MAX8521的话,那么就需要使用一个具有低失调电压漂移的运算放大器,例如MAX4477ASA就是一个不错的选择;由于上面的热敏电阻的信号电平比较低,电路中热敏电阻的信号应该使用屏蔽线; U1应该选用超低漏电电流的型号,以避免高电路阻抗所产生的直流漂移; MAX4475ASA运算放大器的漏电电流仅仅只有150pA最大值,所以它确实是一个不错的选择; U1周围的元件,特别是C2和C3,应选择具有最高的漏电阻的型号,C2需要尽可能最低的热漂移;聚苯乙烯薄膜电容器是最好的选择,但他们是非常庞大和昂贵;陶瓷电容器一个不错的选择,但较大的值可能会泄漏到足以引起增益误差;不要使用电解电容或钽电容器;U1反向端引脚的周围和下面应放置一个带有PC板的保护环,并且它的组件应该被连接到U1的同相端;保护环拦截任何可能引起求和误差的杂散电流;助焊剂,湿气,和玻璃纤维印刷电路板可以引起漏电流的问题,而保护环可以改善这些影响;保形涂层板及其组件可以帮助防止污染物干扰电路的性能;TEC控制回路的测试控制回路可以通过单位阶跃函数来测试;一个简单的温度设定点的变化应使热敏电阻有所反应,并使得新的温度设定点与之前相比有着非常小的过冲;如果阶跃响应观察到振铃现象,表示在交叉频率相位裕度比较差;通过记录振铃频率和振铃次数,可对直流增益交叉频率或者补偿电路进行调整,直至得到得到一个令人满意的结果;通过使用这种方法与一些TEC行为的观察,一个TEC的闭环可以在未经补偿网络分析仪测试的情况下得到补偿;即使有了网络分析仪的帮助,该系统应该在制冷和制热两种模式下利用阶跃响应的方法进行测试;在制冷模式下加热,在加热模式下的制冷是系统环境最为恶劣的情况; 闭环中的直流误差可以通过输入电阻为1G Ω的一个6位数计进行测量,例如可以利用Agilent 34401A来测定设定值和热敏电阻输出值之间的差异图3;这个差异应该在100μV范围内;噪声可以在相同的点利用差分放大器来测量,如泰克ADA400A; 在100Hz的带宽下,误差值应该在20μ以内;VP-P结论精密热控制将会继续使用半导体制冷器作为一种解决方案;可以预见TEC的性能将继续提高,使它在范围逐渐增广的温控领域成为一种们更具吸引力的解决方案;TEC甚至可能取代蒸汽循环制冷装置用来加热和冷却室内环境;TEC驱动器和热控制回路才刚刚开始开始实际应用;注：安捷伦是安捷伦科技公司的注册商标和注册服务标志Tektronix是泰克公司的注册商标和注册服务商标。

半导体电冰箱工作原理一、半导体制冷原理半导体制冷，也称为热电制冷或温差电制冷，是基于帕尔帖效应的一种制冷技术。

帕尔帖效应是法国物理学家帕尔帖在1834年发现的，当电流通过不同导体组成的回路时，除产生焦耳热外，在不同导体的接头处，根据异质结的温差和电流方向，会产生吸热或放热现象，从而实现制冷或制热的效果。

二、Peltier效应Peltier效应是半导体制冷技术中的核心原理，当直流电通过由两种不同导体的接头组成的电路时，由于帕尔帖效应，在接头处会产生吸热或放热现象。

通过改变电流方向，可以实现在同一部位产生热量交换，从而达到制冷或制热的目的。

三、半导体热电转换半导体热电转换是半导体制冷技术的关键过程，通过利用半导体材料的热电效应实现热能与电能之间的相互转换。

当温度梯度存在于半导体材料中时，由于塞贝克效应或皮尔兹效应，会在材料中产生电压或电流，从而实现热能转换为电能。

四、制冷循环原理半导体电冰箱的制冷循环包括吸热、放热和散热三个过程。

在吸热过程中，通过半导体制冷片吸收冰箱内部的热量；在放热过程中，将吸收的热量传递到冰箱外部；在散热过程中，通过通风或散热器将热量散发到环境中。

五、温度控制原理半导体电冰箱的温度控制主要通过调节电流大小来控制半导体制冷片的制冷效果，从而实现冰箱内部温度的调节。

温度传感器检测冰箱内的温度，控制器根据设定的温度与实际温度的差异，调节电流大小，从而控制半导体制冷片的制冷效果，以保持冰箱内的温度恒定。

六、制冷效率与能耗半导体电冰箱的制冷效率与能耗与其采用的半导体材料、制冷片的设计和制作工艺、散热方式等因素有关。

高效的散热系统和合理的控制策略可以提高制冷效率并降低能耗。

相对于传统压缩式冰箱，半导体电冰箱具有较高的能效比（COP）和较小的体积，但制造成本较高。

七、系统集成与优化为了实现高效的制冷效果和稳定的运行状态，需要对半导体电冰箱的各个系统进行集成和优化。

这包括合理的散热设计、高效的热交换器、稳定的电源供应、精确的温度控制等。

实验12 温度传感器特性和半导体制冷温控实验【实验目的】1、了解半导体制冷和制热原理。

2、测量NTC热敏电阻、PTC热敏电阻及集成温度传感器的温度特性【实验原理】1、半导体制冷和制热原理如图1所示，由X和Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，冷端的热量移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是帕尔贴效应。

实际的半导体制冷片结构如图2所示，由许多N型P型办斗提之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。

2、温度控制原理实验样品结构如下图所述，将半导体制冷片一面与铝制散热器津贴，并用风扇强行散热，使其与环境温度接近。

另一面与实验样品室紧贴，试验样品室采用优质导热材料，并装上温度传感器，温度传感器测量实验样品室的温度，由该温度与仪器设定的温度相比较，通过微型处理器确定半导体制冷片工作方式，即制冷或制热，由温度差确定制冷或制热的策略，即在不同的温度差之下，输出不同的制冷或制热功率，并以适当的速度改变温度的变化，从而实现实验样品室的温度控制，保持温度的稳定。

微型处理器工作框图如图3.3、NTC 电阻器的温度系数（负温度系数）——温度特性NTC 热敏电阻通常具有很大的负温度系数，在一定的温度范围内，NTC 热敏电阻的阻值与温度的关系满足下列经验公式：011()0B T T R R e -=------------------------（1）式中，R 为该热敏电阻在热力学温度T 时的电阻值，0R 为热敏电阻处于热力学温度0T 时的阻值，B 是材料的常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的温度范围内，B 是常数。

由（1）式得该热敏电阻在0T 时的电阻温度系数α20B T α=----------------------------------（2） 进一步得到 0011()InR B InR T T =-+ 在一定温度范围内，可以用作图法或最小二乘法求得B 的值，并进一步求得α的值。

基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究【摘要】随着科学技术的不断发展,冰箱行业也日趋壮大，冰箱制冷效率的提高直接影响着人们生活。

本文从半导体制冷空调器的特点、提高半导体制冷空调效率的途径及试验分析等几个方面进行了分析。

【关键词】半导体制冷；效率；提高一、前言近年来，由于半导体的应用领域越来越广泛，基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究问题引起了人们的重视。

虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强半导体制冷在冰箱制冷的运用，对我国冰箱制冷工程有着重要意义。

二、半导体制冷空调器的特点半导体制冷空调器与压缩式制冷空调器相比,具有以下优点结构简单,没有机械传动机构,故工作时无噪声、无磨损、无震动、寿命长、维修方便,可靠性高；不使用制冷剂,故无泄漏、无污染；直流供电,电流方向转换方便,可冷热两用；重量、尺寸较小,便于安装；热惯性小,负荷可调性强,调节和控制方便；工作状态不受重力场的影响；百瓦级的小功率空调器的成本与压缩制冷空调的成本相差不大；而十瓦级的微型空调器的成本远低于压缩制冷,具有压缩制冷无法替代的优势。

半导体制冷空调具有如上所述众多的优点,但是半导体制冷空调器的制冷效率较低,它的制冷效率只有机械制冷效率的30%。

因此限制了半导体制冷空调在民用领域的应用。

三、提高半导体制冷空调效率的途径半导体制冷空调器最大的不足是制冷效率较低,这限制了半导体制冷空调器的推广和应用。

提高半导体制冷空调器的效率,要从影响制冷效率因素的分析入手,找出有效的解决方法。

热电制冷的关键问题是材料问题,但近20年该方面的研究进展表明,半导体材料优值系数的提高非常困难,因此对半导体材料的探索仍需要很长的时间。

目前,在高优值系数的材料何时出现还是个未知数的情况下,解决好热电堆热端散热问题,对系统制冷效率的提高起到至关重要的作用。

半导体制冷热端散热方式有很多种,包括空气自然对流、空气受迫对流、水冷散热、环流散热、利用物质的熔化潜热散热等。

功能材料专业实验大连民族大学物理与材料工程学院光电子实验中心目录第一章导电类型鉴别仪实验一材料导电类型鉴别实验第二章温度传感器测试及半导体制冷控温实验仪实验二电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试第三章半导体热电特性综合实验仪实验三电阻温度计与非平衡直流电桥实验四半导体热电特性的研究第四章PN结正向特性综合实验仪实验五PN结正向压降与温度关系第五章传感器设计实验仪实验六应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验应变直流全桥的应用—电子秤实验应变片交流全桥的应用(应变仪)—振动测量实验实验七压阻式压力传感器的压力测量实验电容式传感器的位移实验实验八差动变压器的性能实验差动变压器零点残余电压补偿实验差动变压器的应用—振动测量实验实验九压电式传感器测振动实验线性霍尔式传感器位移特性实验磁电式传感器特性实验实验十热电偶的原理及现象实验第六章光电特性综合实验仪实验十一LED伏安特性（V-I）测试LED辐射强度空间分布及半值角的测量实验十二激光二极管（LD）伏安特性（V－I）的测量激光二极管光谱特性测量第一章导电类型鉴别仪一、概述PN-12型导电型号鉴别仪采用整流法(也称三探针法)和温差法(也称冷热探笔法来判断单晶(或多晶)硅的导电类型(N型或P型)，用N型和P型显示屏直接显示单晶(或多晶)导电类型。

二、技术性能1.可判断硅材料的电阻率范围：整流法：10-2Ω·Cm～104Ω·Cm；温差法：10-4Ω·Cm～105Ω·Cm；2.硅单晶直径及长度：不受限制；3.显示方式：用N型和P型显示屏直接显示；4.探头：整流法：采用三根探针，用高速钢针；温差法：采用冷热两根探笔，探笔材料为钨棒，热笔采用PTC发热体加热； (冷笔保持室温，热笔可被加热到60℃-150℃，温控仪设定)5.电源及功耗：AC 220V±10%，50Hz <20W6.外型尺寸：125mm(宽)×145mm(高) ×245mm(深)7.使用环境：温度：室温；相对湿度：<80%；无强高频电磁场影响。

半导体温度传感器的应用与发展半导体温度传感器的应用相当广泛，主要有以下三类：温度检测，包括对便携式电子设备、CPU、DSP、电池温度及环境温度；温度补偿，包括热电偶冷端补偿和蜂窝电话中的振荡器漂移；温度控制，包括电池充电和工业过程控制。

较之其它传感器，其突出优势是线性输出。

在-55~+150℃温度范围内，半导体温度传感器具有高精度和高线性度。

目前，半导体温度传感器主要的供应商有Analog Devices、Dallas Semiconductor 、Maxim Integrated Products、National Semiconductor 和TelCom Semiconductor等。

Analog Devices的半导体温度传感器主要分为五类：电流输出温度传感器、电压输出温度传感器、比率输出温度传感器、数字输出温度传感器及恒温开关和设定点控制器。

电流输出温度传感器的主要特点是输出阻抗高，输出电流不受传输线路电压降和电压噪声的影响，且对电源电压的脉动和漂移具有很强的抑制能力，常用的有AD592和TMP17。

AD592测温范围-25~+105℃，封装形式为TO-92，AD592CN线性误差典型值±0.1℃。

TMP17测温范围-40~+105℃，封装形式为SO-8，TMP17F线性误差典型值±0.5℃。

电压输出温度传感器的主要特点是电源电压和电流比较低，在传输线路电压降和电压噪声不是主要考虑因素时，电压输出温度传感器的输出可直接成为控制系统和数据采集系统的输入信号，常用的有TMP35/36/37，线性误差典型值±0.5℃。

TMP35测温范围+10~+125℃，可用作热电偶冷端补偿；TMP36测温范围-40~+125℃；TMP37测温范围+5~+100℃。

比率输出温度传感器特别适合与基准电压相关的比率测量或数据转换。

常用的有AD22100和AD22103，主要应用于加热通风与空调系统、仪器仪表、汽车中的温度监测与控制。

实验 2-19 温度传感器的温度特性测量和研究温度是一个表征物体冷热程度的基本物理量，自然界中的一切过程都与温度密切相关。

因此，温度的测量和控制在科研及生产实践上具有重要意义。

如果要进行可靠的温度测量，首先就需要选择正确的温度仪表，也就是温度传感器。

温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。

本实验将通过测量几种常用的温度传感器随温度变化的特征物理量，来了解这些温度传感器的工作原理。

【实验目的】1. 了解四种温度传感器（NTC 热敏电阻、PTC 热敏电阻、PN 结二极管、AD590集成电路温度传感器）的测温原理。

2. 掌握上述几种温度传感器的温度特性并比较它们的性能特点。

3. 学会用最小二乘法对采集的数据进行线性分析。

【实验器材】WT-1A 温度传感器特性和半导体制冷温控实验仪，数字万用表，导线若干。

【实验原理】(一) 热敏电阻NTC 的温度特性NTC 热敏电阻通常由Mg 、Mn 、Ni 、Cr 、Co 、Fe 、Cu 等金属氧化物中的2～3种均匀混合物压制后，在600℃～1500℃温度下烧结而成，由这类金属氧化物半导体制成的热敏电阻，具有很大的负温度系数，在一定的温度的范围内，NTC 热敏电阻的阻值与温度关系满足下列经验公式11( )0B T T R R e-= （2-19-1）式中R 为该热敏电阻在热力学温度T 时的电阻值，R 0为热敏电阻处于热力学温度T 0时的阻值，B 是材料的常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的温度范围内，B 是常数。

由（2-19-1）式可得，NTC 热敏电阻在热力学温度T 0时的电阻温度系数α02001d d T T R BR T T α=⎛⎫==- ⎪⎝⎭ （2-19-2） 由式（2-19-2）可知，NTC 热敏电阻的电阻温度系数与热力学温度的平方有关，在不同的温度下，α值不相同。

对（2-19-1）式两边取对数，得0011l n l n R B R T T ⎛⎫=-+ ⎪⎝⎭（2-19-3）在一定温度范围内，l n R 与011T T -成线性关系，可以用作图法或最小二乘法求得斜率B 的值，并由（2-19-2）式求得某一温度时NTC 热敏电阻的电阻温度系数α。

仪器使用说明TEACHER'S GUIDEBOOKFD-TM温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific & Educational Instruments Co.,Ltd.FD-TM 温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪一、概述对温度传感器性能的了解及测试是大学物理实验的一项必备内容，但大多数实验仪器只具备做环境温度以上的实验，FD-TM-A温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪具备了半导体致冷功能使之能做环境温度以下的实验。

本仪器主要测试温度传感器AD590的性能(可根据要求增加多种温度传感器的测试)及了解半导体致冷堆的性能。

二、用途1.用加热井和致冷井分别加热和冷却温度传感器并使温度传感器精确地保持在所设定的温度(±0.1℃),利用实验电路来测试温度传感器的温度-输出特性。

2.了解半导体致冷片的致冷原理及致冷效率。

3.了解TCF-708智能控温仪的精确控温原理，利用P.I.D控温原理精确设定控温参数使每一点设定温度精确控温至±0.1℃。

三、仪器组成和技术指标1. TCF-708智能控温仪:分辨率0.1℃;控温精度±0.1℃;测温范围-50--150℃；测温精度±3%。

2. 4 1/2数字电压表: 分辨率0.0001V;量程0～1.9999V；测量精度±0.1%。

3．加热井：环境温度～100℃。

4．致冷井：环境温度～低于环境温度30℃5．AD590实验系统①温度/输出电流特性测试（0～2.0000V/1K=0～2000.0μA）;实验电压5～10V可调。

②非平衡电桥测温（AD590测温范围-50℃～100℃）。

四、仪器外形图及使用方法仪器面板示意如下图，测温传感器是3线制PT100,加热、致冷由琴键开关选择，测试温度传感器AD590特性时，AD590与PT100需同时插入加热井（测环境温度以上-加热）或致冷井（测环境温度以下-致冷），测AD590的25℃时的温度特性（25℃是AD590的定标温度）。

半导体温度传感器传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。

国家标准GB766587对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”o传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。

半导体传感器是利用某些半导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的。

半导体具有很宽的温度反应特性,各种半导体的温度反应区段不同。

传感器的作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。

基于半导体制冷片的高精度控温电路系统设计李丹;蔡静【摘要】基于半导体制冷片(Thermo Electric Cooler,TEC)设计了一种高精度控温电路系统.本文详细介绍了TEC的选型方法,设计并实现了以单片机为核心的硬件电路,采用PID软件控制算法优化温控参数.在实验中,选择较大热负载紫铜块作为控温对象进行实验验证,实验结果表明:在室温23℃的情况下,紫铜块的控温范围为-10~40℃,控温精度高达0.01℃.%This paper designed a high-precision temperature-control circuit system based on TEC.Introduction was made to the selection method of TEC,realizing a hardware circuit based on single-chip and using PID software control algorithm to optimize parameters.In experiment,choosing the higher thermal load copper block as the temperature control object to do the test verification.The result shows when the ambient temperature is 23℃,the temperature control range of the copper block is-10~40℃.The temperature control precision can be up to 0.01℃.【期刊名称】《计测技术》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】4页(P19-21,39)【关键词】半导体制冷片;选型介绍;控温系统;电路设计【作者】李丹;蔡静【作者单位】中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095;中航工业北京长城计量测试技术研究所,北京 100095【正文语种】中文【中图分类】TB94;TM13半导体制冷片(Thermo Electric Cooler,TEC)遵从帕尔贴效应，通过控制流过TEC 电流的方向及大小实现其加热制冷转换以及加热制冷量的调节。

摘要随着信息时代的到来，传感器技术得到了快速发展，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。

传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。

随着人们生活水平的提高，智能化的液体加热制冷类家电越来越多地出现在人们的日常生活中，这些产品大多采用发热管或PTC热敏电阻进行加热，仅仅具有加热功能；而使用半导体制冷片可以具备加热和制冷双重功能，但缺陷是传统的半导体制冷片的方向控制大多使用继电器来完成，继电器属于机械式开关，当频繁导通或关断时不仅会发出噪音，而且还会降低其使用寿命。

因此，有必要探索一种高效、静噪、安全的半导体制冷片控制方法。

本设计将H桥驱动电路引入半导体制冷片进行控制，通过控制H桥的通断方向来控制半导体制冷片的加热和制冷，从而实现控温。

关键词：传感器；TEC；H桥1、系统方案设计本系统分为MCU ，温度显示，温度控制，温度采集，本系统采用STC12C5A16S2作为核心芯片，使用TEC1-12706半导体制冷片作为核心加热制冷与案件，采用DS18B20温度传感器采集温度，通过上位机和单片机通讯，上位机可以显示实时温度值，并且可以进行温度设置，半导体制冷片控制部分采用H 桥驱动控制电路进行电压翻转，H 桥的导通和截止采用三极管开关电路进行控制，从而达到加热和制冷的自动控制目的。

PC 机显示温度、 温度控制 设置温度 RS232 PWM·······加热制冷 温度采集图1 系统结构1.1微型控制单元MCU 采用宏晶STC12系列单片机，其工作电压为5.5-3.5V ，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍，本单片机晶振频率为22.184MHz ，本系统PWM 的时钟源是Fosc ，不用Timer ，PWM 的频率为Fosc/2，此单片机完全能够满足本系统的设计要求。

基于单片机的半导体制冷温度控制电路研究安卫超12宋晓莅s(1．华北电力大学，河北保定071000；2．保定职业技术学院，河北保定07l000；3．石家庄陆军指挥学院，河北石家庄0500()0)应用科技[摘要]设计了采用PI D算法的半导体制冷片温度控制系统，用N T c元件感应温度变化，用单片机控制可控硅的导通角来控制输出电压的高低，从而来控制半导体片的工作。

[关键词]P I D；单片机；半导体制冷半导体制冷又称电子制冷。

半导体制冷是近年来迅速发展的一项高新技术，其原理就是半导体材料的温差效应。

如果把不同极性的两种半导体材科(P型、’N型)，联接成电偶对，通过直流电流时就发生能量的转移：电流由N型元件流向P型元件时便吸收热量，这个端面为冷面，电流由P型元件流向N型元件时便放出热量，这个端面为热面。

如果改变直流电的极性，同一制冷器可以实现制冷和加热两种功能。

本设计采用单片机作为恒温系统的核心部件，半导体制冷片作为恒温控制系统的执行部件，运用模糊PI D控制算法实现温度快速、稳定、精确控制。

系统通过模糊PID算法改变单片机输出的PW M脉冲来控制制冷片工t譬日苦奎，不仅使系统的温度能够自动调整到设定值，且能使温度控制动态响应好、臼拊间快、稳态精度高，具有很好的实时性。

半导体制冷的优缺点：1)它不需要任何制冷剂，可连续工作。

2)半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，大于1。

因此使用—个半导体元件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

3)半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，，便于组成自动控制系统。

4)半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

5)半导体制冷片的温差范围，从正温9a℃到负温度13a℃都可以实现。

恒温控制系统。

温度传感器变送电路把恒温控制箱内的现场温度转换成相应的电唐号，经A D采样后输入单片机系统。

温度传感器测试与半导体制冷控温实验报告一、实验目的1. 了解温度传感器的基本原理和使用方法；2. 了解半导体制冷实验箱的基本原理和使用方法；3. 掌握半导体制冷控温的方法和技巧；4. 认识温度传感器测试的重要性。

二、实验原理1. 温度传感器的基本原理：温度传感器根据温度的变化来改变其电学特性，从而获得温度信号。

在实验中，我们使用了热电偶和热敏电阻两种温度传感器。

2. 半导体制冷实验箱的基本原理：半导体制冷实验箱采用半导体元件作为制冷材料，利用半导体材料的热电效应，将热量从一个区域转移到另一个区域，从而实现制冷效果。

3. 半导体制冷控温的方法和技巧：控制制冷箱内的温度，一般采用PID控制器实现。

PID控制器通过对温度信号的采集和处理，以及对加热元件的功率调节，实现对温度的精确控制。

4. 温度传感器测试的重要性：温度传感器是对温度进行测量和控制的核心部件，对温度传感器的测试可以保证其准确度和可靠性，从而保证温度控制系统的稳定性和精度。

三、实验仪器和材料1. 热电偶温度计；2. 热敏电阻温度计；3. 半导体制冷实验箱；4. PID温度控制器；5. 电源；6. 万用表。

四、实验步骤及结果分析1. 温度传感器测试（1）连接热电偶温度计。

将热电偶温度计的测温端口和万用表相连，然后把热电偶放在温度稳定的环境中，记录下温度读数；（2）连接热敏电阻温度计。

将热敏电阻的两端分别接到万用表的两个测量端口上，然后把热敏电阻放在温度稳定的环境中，记录下温度读数；（3）对比两种温度传感器的读数。

将两种温度读数进行对比，看是否存在差异。

如果差异大，则说明其中一种传感器可能存在问题，需要进一步检查和测试。

2. 半导体制冷控温实验（1）打开半导体制冷实验箱，将实验样品放在箱内；（2）将PID温度控制器的温度传感器放入实验箱内，并将控制器和实验箱相连；（3）将温度设定值调节到所需温度，并启动控制器；（4）观察实验箱内的温度变化，如果温度超出设定范围，则对控制器进行调节，直到达到所需的控制效果。

如何控制和补偿半导体制冷器摘要在很多需要精密温度控制的设备中经常可以看到半导体制冷器。

对温度及其敏感的组件往往与TEC和温度监视器集成到一个单一热工程模块。

半导体制冷器也可以通过翻转电流而制热。

TEC非常小的体积为精密控制单个组件（例如，光纤激光器驱动器，高精度的参考电压或任何温度敏感型设备）的温度提供了可能。

此应用手册简要讨论TEC设计的起源和历史，然后概述了TEC基本操作。

随后又说明了TEC的控制和补偿问题。

该文最后详细分析了TEC控制的优化以及优化方程。

关键字：PID、DWDM、SFF、SFP、光纤、激光模块、热电冷却器，热电偶、TEC，温度控制，热循环热敏电阻简介1821年托马斯·塞贝克发现，两个不同的材料的导体连在一起，并且两个材料各自的温度不同的时候，这个环路内就会有电流流过。

十二年后，皮尔贴（J.C.Peltier）发现了与这一现象相反的效果：通过削减环路中的一个导体，使外部电流流经环路，然后就可以发现两个连接点之间有温度差出现，这一现象后来被称作皮尔贴效应。

由于那时的材料所限，皮尔贴效应中材料之间的温度差有大部分都是大电流流过材料所产生的电阻热。

随着近来材料学的不断进步，这些连接点制热或制冷的效应越加变得实用化，它可以作为热电泵，使用起来和基于氟碳蒸气压缩的制冷方式并没有太大的差别。

虽然TEC仍然不如氟碳蒸发循环设备更加实用，但是它没有移动部件和工作流体，这就为制冷设备小型化提供了可能。

基本工作原理由于皮尔贴效应可以通过电流线性控制，半导体制冷器（TEC）已经在涉及精密温度控制的设备中得到了大量的应用。

温度敏感型器件、TEC、温度传感器被集成到一个单一的模块中。

TEC控制需要一个电平可以翻转的电源以提供正电压和负电压。

要想在单电源设备中做到这一点，那么完全可以使用H桥电路。

线性稳压电源总会有纹波，同时它的效率非常低，需要大体积的元件并且还要做好热隔离防止调整管发出的热量加载到制冷器上。

温度传感器测试及半导体致冷控温实验温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。

对温度传感器性能的了解及测试是大学物理实验的一项必备内容，本实验主要针对美国ANALOG DEVICES公司开发的温度传感器，使学生了解AD590温度传感器的测温原理并掌握其测温方法。

【实验目的】1.了解温度传感器AD590的性能及应用；2.掌握TCF708智能温度调节仪的使用。

【实验器材】温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪、AD590温度传感器、PT100温度传感器。

【实验原理】1.温度传感器AD590原理AD590电流型集成电路温度传感器是将PN结（温度传感器）与处理电路利用集成化工艺制作在同一芯片上的具有测温功能的器件。

它具有精度高、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点。

芯片中R1，R2是采用激光校正的电阻。

在298.15K(+25℃)下，输出电流为298.15uA。

V T8和V T11产生与热力学温度（K）成正比的电压信号，再通过R5，R6把电压信号转换成电流信号，为了保证良好的温度特性，R5，R6采用激光校准的SiCr薄膜电路，其温度系数低至（-30～-50）*10-6/℃。

V T10的C极电流跟随V T9和V T11的C极电流的变化，使总电流达到额定值。

R5，R6同样在298.15K(+25℃)的温度标准下校正。

AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗>10Ω，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差（如下图）。

AD590的工作电压为+4——+30V ，测温范围是-55——150℃。

对应于热力学温度T ，每变化1K ，输出电流变化1uA 。