數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)和制作

1、數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和制作(復(fù)旦大學(xué)物理系 上海市 200433摘 要:本文介紹 AD590型集成溫度傳感器和 NTC 熱敏電阻的特性及測量方法,并利用它們分別 制作不同用途的數(shù)字溫度計(jì)。關(guān)鍵詞:AD590集成溫度傳感器 NTC 熱敏電阻 數(shù)字溫度計(jì)The design and manufacture of digital thermometer(physics department of Fudan university shanghai 200433Abstract: this paper is mainly aimed at introduction of characteristics o

2、f AD590 integrated temperature sensor and NTC thermistor, as well as the measure methods. And the methods of manufacturing multipurpose digital thermometer with AD590 and NTC are also introduced.Key word:AD590 integrated temperature sensorNTC thermistordigital thermometer一、 引言AD590 是一種被廣泛應(yīng)用于溫度測量和溫度監(jiān)

3、控的集成溫度傳感器。 它可直接輸出 與熱力學(xué)溫度成比例的電流信號(hào) , 在輸出端串聯(lián)一個(gè)電阻則轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。除此之 外 ,AD590 還具有測溫不需要參考點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、互換性好等優(yōu)點(diǎn) 【1】 。作者測量了 AD590輸出電流與溫度的關(guān)系, 同時(shí)研究了不同工作電壓對輸出電流的影響, 并用 AD590制作了溫度范圍從室溫到 70 的溫度計(jì)。NTC 熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、壽命長、簡單實(shí)用等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用與溫 度測量與溫度控制中 【 2】 。本實(shí)驗(yàn)測量 NTC 熱敏電阻零功率阻值隨溫度的變化規(guī)律,并研 究輸入電流大小對熱敏電阻阻值的影響,最后利用測量得到的 NTC 的溫度特性制作體溫 計(jì)

4、。二、 實(shí)驗(yàn)原理1、 AD590傳感器的工作原理及特性測量。AD590集成溫度傳感器由多個(gè)參數(shù)相同的三極管和電阻組成。當(dāng)它兩端加上一定工 作電壓時(shí),輸出電流與溫度滿足如下關(guān)系:I =B+A 【 3】 , (1 但是若 AD590傳感器處于非工作電壓狀態(tài)下時(shí), 輸出電流與溫度呈現(xiàn)非線性的關(guān)系。 因此,在測量過程中應(yīng)保證 AD590處于工作電壓的范圍下。本實(shí)驗(yàn)中, 用如圖 1所示的電路測量 AD590傳感器溫度與輸出電流的關(guān)系以及不同電 壓對輸出電流的影響。圖 1 測量電路圖 【 4】2、用 AD590制作室溫計(jì)。本實(shí)驗(yàn)用非平衡電橋法制作數(shù)字溫度計(jì),電路圖如圖 2。假定電壓表為理想電壓表, 則圖中

5、的電路滿足如下的關(guān)系:U =IR3U0R1+R2R2 , (2式中 U 為電壓表示數(shù), I 為經(jīng)過 AD590傳感 器的電流。把(1式代入(2式可得:U =BR3+AR3U0R1+R2R2 , (3為使電壓表上讀得的 mV 數(shù)即代表 AD590 檢測到的攝氏溫度, 整個(gè)電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)應(yīng)為1mV/ 。因此(3式中的斜率 BR3=1mV/ ,即 R3=1mV/ B, (4同時(shí) (3 式中的截距項(xiàng) R3 U0R1+R2R2=0 , (53、 NTC 熱敏電阻的溫度特性及其測量。NTC 型熱敏電阻 , 在不太寬的溫度范圍內(nèi), 電阻阻值隨溫度變化的特性符合指數(shù)變 化規(guī)律。即 :R =R0eB(1 10,

6、 (6式中 R 為熱敏電阻在溫度 T (絕對溫度 時(shí)的阻值; R0為熱敏電阻在參考溫度 T0(絕對 溫度 時(shí)的阻值; B 為熱敏的材料系數(shù) 【 6】 。實(shí)驗(yàn)中測量的 R 是 NTC 的零功率電 阻,零功率電阻是指由 NTC 自熱導(dǎo)致的 電阻值變化相對于總的測量誤差可以 忽略不計(jì)時(shí)的電阻值。為了測量零功率 電阻應(yīng)使流過 NTC 的電流較小。 實(shí)驗(yàn)中用電橋法測量 NTC 電阻隨溫 度變化的關(guān)系,如圖 3所示。圖 2 溫度計(jì)電路圖【 5】U0R1 R2R3NTC4、利用 NTC 熱敏電阻制作數(shù)字體溫計(jì)。由于 NTC 的電阻隨溫度變化的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系,不易設(shè)計(jì)電路,因此對電阻與溫度 的關(guān)系進(jìn)行近似處理

7、。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得 R 與 1存在較好的線性關(guān)系:R =B+A , (7于是實(shí)驗(yàn)中用圖 4所示的串聯(lián)電路制作數(shù)字體溫計(jì)。易得, R 1兩端電壓 U =R1R1+R2+RU0 , (8(7 式代入 (8 式中可得 : U=R1U0(R1+R2+A+B , (9同樣,為使電壓表上讀得的 mV 數(shù)即代表 NTC 檢測到的攝氏溫度,由(9式可得:R1+R2+A=0 , U0R1B=1mV/ , (10恰當(dāng)選擇滿足(10式的 R 1 、 R 2、 U 0的值即可制得體溫計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)過程及裝置 1、實(shí)驗(yàn)過程A. AD590溫度傳感器。1 按圖 1連接測量電路圖,圖中電阻 R 取 500.2 在室溫時(shí),測量

8、AD590輸出電流隨溫度的變化,確定工作電壓范圍。 3 選擇工作電壓為 10V ,測量 AD590輸出電流隨溫度的變化關(guān)系。4 按圖 2制作溫度計(jì),根據(jù)測得的電流與溫度的關(guān)系合理選取參數(shù)值,進(jìn)行第一次溫度掃描。5 根據(jù)第一次掃描結(jié)果調(diào)整電路中各元件的參數(shù),進(jìn)行第二次溫度掃描。NTCR 2 R 1U 0圖 4 體溫計(jì)電路圖B. NTC 熱敏電阻。1 按圖 3 連接電路圖,并加入一個(gè)電流表,使其串聯(lián)在 NTC 熱敏電阻支路上。改變電路中各個(gè)元件的參數(shù),測量不同的輸入電流對熱敏電阻阻值的影響。 2 去掉電流表, R 2、 R 3取 99999, U 0取 10V , 測量 NTC 零功率電阻與溫度的

9、關(guān)系。 3 按圖 4制作體溫計(jì),根據(jù)結(jié)果選取電路中各元件的值,進(jìn)行第一次溫度掃描。 4 第一次溫度掃描的結(jié)果較好,無須再進(jìn)行后續(xù)的修正,溫度計(jì)制作完畢。 2、 裝置3個(gè) ZX21A 型直流電阻箱,恒壓電源, 2個(gè)萬用表 , FD-WTC-D 型恒溫控制溫度傳 感器試驗(yàn)儀, AD590傳感器, NTC 熱敏電阻,導(dǎo)線若干。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、 AD590工作電壓的測量。表 1 AD590輸出電流與輸入電壓的關(guān)系 室溫 0為 16.8 表 1數(shù)據(jù)作圖可得:U 2(m V U 1(V圖 5 輸出電流與電壓關(guān)系圖6從圖 5可以看出,當(dāng) AD590兩端電壓小于 3V 時(shí),它的輸出電流隨輸入電壓的變化 較大,

10、而當(dāng)電壓大于 3V 時(shí),變化很小。因此 AD590的工作電壓應(yīng)大于 3V 。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn) 受到電源電壓最大只有 20V 的限制,所以無法確定 AD590工作電壓的上限。由測量結(jié)果可知, 3V 20V 的電壓應(yīng)處于 AD590的工作電壓范圍內(nèi)。 在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中, 取 AD590的工作電壓為 10V 。2、 AD590輸出電流隨溫度的變化關(guān)系。表 2 AD590輸出電流與溫度的關(guān)系 電阻 R 為 500。 表 2數(shù)據(jù)擬合可得:I (A ( 圖 6 輸出電流與溫度關(guān)系圖7式中:a =1.028±0.005, b =280.8±0.2R-Square=0.99961 , R-Squar

11、e接近于 1, 數(shù)據(jù)點(diǎn)線性關(guān)系很好。擬合結(jié)果:I =1.028×+280.8 , (113、 AD590溫度計(jì)的制作。(11式的測量結(jié)果代入(4和(5中可得: R3=1mV/ B=10001.028=972.8,當(dāng)取 U0=10V,可得R1R2=35.6089 , 取 R2=972.8, R1=34880.0。在室溫處校準(zhǔn)溫度計(jì),調(diào)整 R1=34940.0。 AD590第一次溫度掃描:表 3 自制溫度計(jì)與溫度控制器示數(shù)關(guān)系 由掃描結(jié)果看出,有部分?jǐn)?shù)據(jù)的差值超過 0.2 ,因此需要對參數(shù)的值進(jìn)行修正。 第一次溫度掃描擬合曲線:制 /標(biāo) /圖 7 自制溫度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)溫度關(guān)系式中:a =1.

12、001±0.001, b =0.12±0.05R-Square=0.99999 , R-Square接近于 1, 數(shù)據(jù)點(diǎn)線性關(guān)系很好。擬合結(jié)果:制 =1.001×標(biāo)+0.12, (12由擬合結(jié)果可知, (12 式得斜率項(xiàng)基本符合要求, 而截距項(xiàng)偏大, 所以應(yīng)減小 (3 中(AR3 U0R1+R2R2這一項(xiàng)的值。通過減小 R1的值來達(dá)到修正的目的。由計(jì)算可得, R1=34902.0。AD590第二次溫度掃描:表 4 修正后自制溫度計(jì)與溫度控制器示數(shù)關(guān)系 由第二次溫度掃描結(jié)果看出,自制溫度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差均不超過 0.2 ,達(dá)到了 所要求的制作精度,溫度計(jì)制作完畢。4

13、、 熱敏電阻自熱對其阻值的影響。表 5 輸入電流與熱敏電阻的關(guān)系溫度 0=17.3 。89表 5數(shù)據(jù)作圖可得:從圖中可以看出,輸入電流上升到大約 250A 的位置時(shí),電阻陡然下降,可見大于250A 的輸入電流引起熱敏電阻的自熱明顯,會(huì)造成較大的阻值變化。因此實(shí)驗(yàn)中為了 測量 NTC 的零功率阻值應(yīng)確保流過 NTC 的電流小于 250A 。5、 NTC 熱敏電阻的溫度特性。表 6 NTC 阻值與溫度的關(guān)系 表 6數(shù)據(jù)擬合可得:I(AR (圖 8 輸入電流與熱敏電阻阻值R /1/( -1擬合公式:y =ax +b式中:a =(3.32±0.08 ×105, b =(2.8

14、77;0.2 ×103R-Square=0.99604 , R-Square接近于 1, 數(shù)據(jù)點(diǎn)線性關(guān)系很好。擬合結(jié)果:R =332000×1 2800, (136、 NTC 體溫計(jì)的制作。(13式的測量結(jié)果代入(10中可得:R1+R2=2800, U0R1=332000,為確保電路中總電壓不超過 250A ,取 U0=1V , R1=332.0, R2=2488.0。在 室溫處校準(zhǔn)溫度計(jì),調(diào)整 R1=335.0, R2=2485.0。NTC 第一次溫度掃描:表 7 自制體溫計(jì)與溫度控制器示數(shù)關(guān)系 由溫度掃描結(jié)果看出,自制體溫計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差小于 0.1 ,已經(jīng)達(dá)到了所要求

15、 的制作精度,無需作進(jìn)一步的修正,體溫計(jì)制作完畢。五、分析與討論1、影響熱敏電阻阻值測量的因素。本實(shí)驗(yàn)中對 NTC 的零功率測量是在恒溫槽中進(jìn)行,影響總的測量誤差有二個(gè)主要 因素:一是恒溫槽精度,二是通過 NTC 的電流大小。NTC 熱敏電阻阻值隨溫度的變化非常敏感, 少許的溫度差異會(huì)引起加大的阻值變化:(7 式對 微分可得:R = B, (14 實(shí)驗(yàn)中已測得 B=332000,而溫度控制器可以控制的最小溫度范圍在 0.1 以內(nèi),所以令 =0.1 ,而 10.025。把上述取值代入(14式得:R =20.75?？梢娪珊銣夭劬纫鸬?NTC 阻值的測量誤差是相當(dāng)大的。10nullnull七、參考文獻(xiàn) 1 孫福玉，曹萬蒼，AD590 及其應(yīng)用. 赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)，第 27 卷第 6 期，2011.6:2930. 2 杜義強(qiáng)，NTC 熱敏電阻 RT 特性探討. 航天返回與遙感，第 23 卷第 1 期，2002.3:2628. 3 沈元華，陸申龍，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn). 北京：高等教育出版社，2003 年. 4 周成鋼，施林，陸申龍，AD590 集成電路溫度傳感器特性測量與應(yīng)用. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，第 11 卷第 2 期，1998.6：8-10. 5