實驗十二集成電路溫度傳感器特性測量全解

1、實驗十二集成電路溫度傳感器特性測量一. 概述溫度傳感器的特性測量和定標(biāo)是大學(xué)普通物理熱學(xué)實驗和電磁學(xué)實驗中的一個基本內(nèi)容，是新的全國理工科物理實驗教學(xué)大綱中一個重要實驗。為開設(shè)好此實驗，由復(fù)旦 大學(xué)物理實驗教學(xué)中心和上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司協(xié)作，聯(lián)合研制了采用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器為測量元件的新一代恒溫控制儀。新儀器與同類其它儀器 相比，有以下四個優(yōu)點(diǎn)：1）傳感器體積?。?）控溫精度高；3）無污染及噪聲（無水銀污染且 不用繼電器）；4）設(shè)定溫度和測量溫度均用數(shù)字顯示。 本實驗儀器可用于各種溫度傳感器的 特性測量和各種材料的電阻與溫度關(guān)系特性測量實驗，本儀器也可用于物理化學(xué)實驗做

2、恒溫儀用，它是理工科大學(xué)普通物理實驗必備重要實驗裝置之一。二. 用途1. 電流型集成溫度傳感器 AD590的特性測量和應(yīng)用：（1）測量AD590輸出電流和溫度的關(guān)系，計算傳感器靈敏度及 0 C時傳感器輸出電流 值。（2）用AD590傳感器，電阻箱，數(shù)字電壓表和直流電源等設(shè)計并安裝數(shù)字式攝氏溫度計。（3）測量集成溫度傳感器 AD590在某恒定溫度時的伏安特性曲線，求出 AD590線性 使用范圍的最小電壓Ur。三. 儀器組成與技術(shù)指標(biāo)1儀器組成如圖1所示，本機(jī)為有單片控制的智能式數(shù)字恒溫控制儀、量程為 0 19.999V四位 半數(shù)字電壓表、直流1.5V-12V穩(wěn)壓輸出電源、可調(diào)式磁性攪拌器以及 2

3、000ml燒杯、加熱器、玻璃管（內(nèi)放變壓器油和被測集成溫度傳感器）等組成。圖12. 技術(shù)指標(biāo):A. 溫控儀(1) 溫度計顯示工作溫度：0 C 100 C(2) 恒溫控制溫度：室溫80oC控制恒溫顯示分辨精度：w o.i rB. 直流數(shù)字電壓表(1)量程：0 19.999V讀數(shù)準(zhǔn)確度：量程0.03% 5個字輸出電阻：20 Q(為了防止長時間短路內(nèi)接電阻)C. 溫度傳感器DS18B20的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特性(控溫及測溫用)：(1)溫度測量范圍：-55 r 125 r測溫分辨率：0.0625 r引腳排列(如圖2所示)：1 (GND):地2 (DQ ):單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳3 (VDD ):可選的電源

4、引腳圖2(4) 封裝形式：TO-92詳細(xì)應(yīng)用請參閱相關(guān)資料D. 待測溫度傳感器AD590技術(shù)特性：(1)工作溫度：一55 C 150 C工作電壓：4.5V 24V(3) 靈敏度：1叭/C,線性元件(4) 0 C時輸出電流約273叭E. 加熱器：(1)工作電壓：交流10V 150V工作電流：交流最大1.5A四.儀器使用方法1. 使用前將電位器調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向旋到底， 把接有DS18B20傳感器接線端插頭插 在后面的插座上，DS18B20測溫端放入注有少量油的玻璃管內(nèi)(直徑16mm);在2000ml 大燒杯內(nèi)注入1600ml的凈水，放入攪拌器和加熱器后蓋上鋁蓋并固定。2. 接通電源后待溫度顯示值

5、出現(xiàn)“ B=.= ”時可按“升溫”鍵，設(shè)定用戶所需的溫度，再按“確定”鍵，加熱指示燈發(fā)光，表示加熱開始工作，同時顯示“A =.=”為當(dāng)時水槽的初始溫度，再按“確定”鍵顯示“ B =.= ”表示原設(shè)定值，重復(fù)確定 鍵可輪換顯示A、B值；A為水溫值，B設(shè)定值，另有“恢復(fù)”鍵可以重新開始。五.注意事項1.AD590 集成溫度傳感器的正負(fù)極性不能接錯，紅線表示接線電源正極。2.AD590 集成溫度傳感器不能直接放入水中或冰水混合物中測量溫度，若測量水溫或 冰水混合物溫度，須插入到加有少量油的玻璃的玻璃細(xì)管內(nèi)，再插入待測物測溫。3. 攪拌器轉(zhuǎn)速不宜太快， 若轉(zhuǎn)速太快或磁性轉(zhuǎn)子不在中心， 有可能轉(zhuǎn)子離開旋

6、轉(zhuǎn)磁場位 置而停止工作，這時須將調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速電位器逆時針調(diào)至最小， 讓磁性轉(zhuǎn)子回到磁場中， 再旋轉(zhuǎn)。4熱敏電阻的工作電流應(yīng)小于 300識,防止自熱引入誤差，實驗時，直流電源調(diào)節(jié)旋鈕可反時針調(diào)到底。用數(shù)字電壓表測得電源為 1.5V 方可使用。5.2000ml 燒杯的底部必須平整，更換大燒杯時請注意。5.倒去燒杯中水時，注意應(yīng)先取出磁性浮子保管好，以避免遺失。集成電路溫度傳感器的特性測量及應(yīng)用 （復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)實驗中心提供） 隨著科技的發(fā)展，各種新型的集成電路溫度傳感器器件不斷涌現(xiàn)，并大批量生產(chǎn)和 擴(kuò)大應(yīng)用。這類集成電路測溫器件有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： （1）溫度變化引起輸出量的變化呈 現(xiàn)良好的線性關(guān)系

7、；（2）不像熱電偶那樣需要參考點(diǎn)； （3）抗干擾能力強(qiáng)；（4）互換性 好，使用簡單方便。因此，這類傳感器已在科學(xué)研究、工業(yè)和家用電器溫度傳感器等方 面被廣泛使用于溫度的精確測量和控制。本實驗要求測量電流型集成電路溫度傳感器的 輸出電流與溫度的關(guān)系，熟悉該傳感器的基本特性，并采用非平衡電橋法，組裝成為一 臺 050oC 數(shù)字式溫度計。A. 實驗原理該器件的兩端AD590 集成電路溫度傳感器是由多個參數(shù)相同的三極管和電阻組成當(dāng)加有某一定直流工作電壓時（一般工作電壓可在4.5V 20V 范圍內(nèi)），它的輸出電流與溫度滿足如下關(guān)系：I=BT+A式中，I為其輸出電流，單位 叭,T為攝氏溫度，B為斜率（一般

8、AD590的B=1 pA/C, 即如果該溫度傳感器的溫度升高或降低 1oC，那傳感器的輸出電流增加或減少1叭）,A 為攝氏零度時的電流值，其值恰好與冰點(diǎn)的熱力學(xué)溫度 273K 相對應(yīng)。（對市售一般 AD590，其A值從273 278遲略有差異。）利用AD590集成電路溫度傳感器的上述 特性，可以制成各種用途的溫度計。采用非平衡電橋線路，可以制作一臺數(shù)字式攝氏溫 度計，即 AD590 器件在 0oC 時，數(shù)字電壓顯示值為“ 0”，而當(dāng) AD590 器件處于 ToC 時，數(shù)字電壓表顯示值為“ T”。B. 實驗儀器1. AD590 電流型集成溫度傳感器AD590 為兩端式集成電路溫度傳感器，它的管腳

9、引出端有兩個，如圖 4 所示：序號 1接電源正端U+ （紅色引線）。序號2接電源負(fù)端U-（黑色引線）。至于序號3連接外殼， 它可以接地，有時也可以不用。 AD590工作電壓4 30V，通常工作電壓6 15V，但 不能小于4V，小于4V出現(xiàn)非線性。2. FD-WTC-D 型恒溫控制溫度傳感器實驗儀， 0 50oC 水銀溫度計等。*ADS90Q圖4 AD590管腳接圖圖5 AD590溫度特性測量C. 實驗內(nèi)容必做內(nèi)容：1. AD590傳感器的輸出電流和工作電壓關(guān)系測量。將AD590傳感器處于恒定溫度，將直流電源、 AD590傳感器、電阻箱、直流電壓 表等按圖7接電路線,取樣電阻R的阻值為10000

10、 Q。調(diào)節(jié)電源輸出電壓從1.5V 10V，測量加在AD590傳感器上的電壓U與輸出電流I （I=Ur/R）的對應(yīng)值，要求 實驗數(shù)據(jù)10點(diǎn)以上。用坐標(biāo)紙做AD590傳感器輸出電流I與工作電壓U的關(guān)系圖，求 出該溫度傳感器輸出電流與溫度呈線性關(guān)系的最小工作電壓Ur。圖7 AD590R安特性測量 溫虞恒定）2. AD590傳感器溫度特性測量按圖5接線（AD590的正負(fù)極不能接錯）。測量AD590集成電路溫度傳感器的電流I 與溫度T的關(guān)系，取樣電阻R的阻值為10000 Q。把實驗數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬 合，求斜率B截距A和相關(guān)系數(shù)r實驗時應(yīng)注意AD590溫度傳感器為二端銅線引出， 為防止極間短路，兩銅

11、線不可直接放在水中，應(yīng)用一端封閉的薄玻璃管套保護(hù)，其中注 入少量變壓油，使之有良好熱傳遞。（實驗中如何保證AD590集成溫度傳感器與水銀溫 度計處在同一溫度位置）選做內(nèi)容：1.制作量程為0 50oC范圍的數(shù)字溫度計。把AD590、三只電阻箱、直流穩(wěn) 壓電源及數(shù)字電壓表按圖6接好。將AD590放入冰點(diǎn)槽中，R2和R3各取1000 Q,調(diào) 節(jié)R4使數(shù)字電壓表示值為零。然后把 AD590放入其他溫度如室溫的水中，用標(biāo)準(zhǔn)水銀 溫度計進(jìn)行讀數(shù)對比，求出百分差。（冰點(diǎn)槽中冰水混合物為濕冰霜狀態(tài)才能真正達(dá)到0oC溫度）2.令圖6中電源電壓發(fā)生變化，如從8V變?yōu)?0V，觀測一下，AD590傳感器輸出電流 有無

12、變化？分析其原因。D. 實驗數(shù)據(jù)例1.測量AD590傳感器的伏安特性表1 AD590傳感器伏安特性測量 T=3.0oC, R=10000 QUN1.3261.5891.7362.0652.3422.4562.5332.6802.7132.8803.0103.2523.4403.6434.100URN0.2000.7771.1301.7952.3062.4952.6162.7702.7752.7602.7592.7592.7602.7602.7601/ gA20.077.7113.0179.5230.6249.5261.6277.0277.5276.0275.9275.9276.0276.027

13、6.0300250200 - A（卩 150 -100 -501234UN圖8溫度為T=3.0oC時，AD590傳感器伏安特性曲線2.測量AD590傳感器輸出電流I和溫度T之間的關(guān)系。求I-T關(guān)系的經(jīng)驗公式表2 AD590傳感器溫度特性測量T/oC29.034.237.040.042.845.849.2Ur/V3.0363.0863.1123.1433.1683.1963.239I/ pA303.6308.6311.2314.3316.8319.6323.9表2數(shù)據(jù)用Caslo-3600計算器最小二乘法擬合得：斜率 B=0.987 A/oC;截距 A=274.8 pA;相關(guān)系數(shù)r0.999所以

14、，I-T 關(guān)系為：l=0.987T+275與靈敏度標(biāo)準(zhǔn)值B=1.000 pA/oC相比百分誤差為1.3%.由于采用量程0 100 oC （分度值1 oC）普通水銀溫度計測量，所以測量值 B的相對誤差大些3. 制作攝氏溫度計由于靈敏度小于1.000 pA/C,所以R2值取略大于1000 Q,本實驗取 R2=R 3=1.000mV/B=1.000/0.987=1012.9Q.將冰用刨冰機(jī)制成冰霜放入保溫杯中壓緊, 并用玻璃管壓 1 小洞。將帶玻璃管傳感器浸 入冰霜中，把儀器接成圖6電橋電路。調(diào)節(jié)R4，使T=0oC時，數(shù)字電壓表輸出U=0mV 用自制攝氏溫度計測室溫水溫為 28.7oC，而水銀溫度計讀數(shù)為28.7 oC.E. 思考題1. 電流型集成電路溫度傳感器有哪些特性？它比半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電偶有哪些優(yōu)點(diǎn)