溫度傳感器特性測(cè)量及應(yīng)用

溫度傳感器特性測(cè)量及應(yīng)用

溫度是科學(xué)研究中一個(gè)重要的基本物理量，在物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、飛行力學(xué)、流體力學(xué)等科學(xué)的研究中，都離不開(kāi)對(duì)溫度的測(cè)量和控制，許多工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量都與溫度有直接關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型的集成電路溫度傳感器測(cè)溫器件不斷涌現(xiàn)，并大批量生產(chǎn)和擴(kuò)大應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)介紹集成溫度傳器將溫敏晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一芯片上，它能直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想線性輸出，一般用于－50℃－＋120℃之間溫度測(cè)量。集成溫度傳感器有電壓型和電流型二種，電流輸出型集成溫度傳感器，在一定溫度下，它相當(dāng)于一個(gè)恒流源。集成溫度傳器具有以下幾個(gè)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；（2）不像熱電偶那樣需要參考點(diǎn)；（3）不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾，抗干擾能力強(qiáng)；（4）互換性好，使用簡(jiǎn)單方便。因此，這類(lèi)傳感器已在科學(xué)研究、工業(yè)和家用電器等方面被廣泛使用于溫度的精確測(cè)量和控制。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量AD590電流型集成電路溫度傳感器的輸出電流與溫度的關(guān)系及其伏安特性，并采用非平衡電橋法，組裝一臺(tái)0～50oC數(shù)字式攝氏溫度計(jì)。預(yù)習(xí)要點(diǎn)集成溫度傳感器有電壓型和電流型二種；AD590電流輸出型集成溫度傳感器的輸出特性及其靈敏度；AD590電流型集成溫度傳感器的工作電壓可在4.5V～20V范圍內(nèi)；AD590電流型集成溫度傳感器如何實(shí)現(xiàn)電流1μA到電壓1mV的轉(zhuǎn)換。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯W(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)和掌握AD590電流型集成電路溫度傳感器的特性；測(cè)量集成溫度傳感器AD590在某恒定溫度時(shí)的伏安特性曲線；測(cè)量AD590輸出電流和溫度的關(guān)系；用AD590傳感器設(shè)計(jì)并組裝數(shù)字式攝氏溫度計(jì)。二、實(shí)驗(yàn)原理集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的B-E結(jié)壓降的不飽和值UBE與熱力學(xué)溫度T和通過(guò)發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)：

K—波爾滋蔓常數(shù)；T—絕對(duì)溫度；γ—V1、V2發(fā)射極面積比；

q—

電子電荷量值。

△UBE正比于絕對(duì)溫度T，只要保證IC1/IC2

恒定，就可以使△UBE與T為單值函數(shù)。

1.AD590電流型集成溫度傳感器特性該器件的兩端當(dāng)加有某一直流工作電壓時(shí)（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(mǎn)足如下關(guān)系：

I=Bt+AI為其輸出電流，單位μA；t為攝氏溫度；A為攝氏零度時(shí)的電流值，該值恰好與冰點(diǎn)的熱力學(xué)溫度273K相對(duì)應(yīng)。B為傳感器的靈敏度（一般AD590的B=1μA/oC）。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)也稱(chēng)絕對(duì)溫標(biāo)，用符號(hào)T表示，單位是K(開(kāi)爾文)。開(kāi)氏溫度值和攝氏溫度的分度值相同，即溫度間隔1K等于1℃。絕對(duì)溫度T與攝氏溫度t的關(guān)系是：T=273.16+t≈273＋ｔ（K），顯然，絕對(duì)零點(diǎn)即為攝氏零下273.16℃(ｔ≈－273＋T℃)。2.AD590的工作原理

AD590傳感器所處溫度t與輸出電流I的對(duì)應(yīng)值，由測(cè)量取樣電阻Ｒ(1k?)

兩端的電壓得到。

I=UR/R把AD590和5～20V的直流電源相連，并在輸出端串接一個(gè)1k?的恒值電阻，組成最基本的溫度(T)測(cè)量電路。那么，在被測(cè)溫度一定時(shí)，此電阻上流過(guò)的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有1mV/K的電壓信號(hào)輸出，即可實(shí)現(xiàn)電流1μA到電壓1mV的轉(zhuǎn)換。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(jì)。采用非平衡電橋線路，可以制作一臺(tái)數(shù)字式攝氏溫度計(jì)，比例臂電阻R1和R2各取1KΩ，調(diào)節(jié)比較臂電阻R0，使AD590器件在0oC時(shí)，數(shù)字電壓顯示值為“0”mv。根據(jù)AD590器件的特性，當(dāng)其處于toC時(shí)，數(shù)字電壓表顯示值為“t”mv。三、實(shí)驗(yàn)儀器AD590電流型集成溫度傳感器；

穩(wěn)溫水浴槽(2000ml大燒杯)；智能式數(shù)字恒溫控制儀；量程0～19.999V四位半數(shù)字式電壓表；直流1.5V～12V穩(wěn)壓輸出電源；可調(diào)式磁性攪拌器以及加熱器、玻璃管;ZX21型電阻箱，保溫杯，水銀溫度計(jì)等。1.AD590溫度傳感器AD590為兩端式集成電路溫度傳感器，它的管腳引出有兩個(gè)，紅色引線表示接電源正極，黑色引線接電源負(fù)端。另一根引線連接外殼，它可以接地，有時(shí)也可以不用。AD590工作電壓4～30V，但不能小于4V，小于4V出現(xiàn)非線性，通常工作電壓10～15V。2．穩(wěn)溫水浴槽在2000ml大燒杯內(nèi)注入1600ml的凈水，把AD590傳感器測(cè)溫端放入注有少量油的玻璃管內(nèi)。大燒杯放在恒溫控制儀蓋板上指定位置（磁性最強(qiáng)處），調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速電位器，使磁性轉(zhuǎn)子較慢的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。若轉(zhuǎn)速太快或磁性轉(zhuǎn)子不在中心，均有可能轉(zhuǎn)子離開(kāi)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)位置而停止工作，這時(shí)須將調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速電位器逆時(shí)針調(diào)至最小，讓磁性轉(zhuǎn)子回到磁場(chǎng)中，再旋轉(zhuǎn)。3．恒溫控制溫度傳感器實(shí)驗(yàn)儀FD-WTC-D恒溫控制溫度傳感器實(shí)驗(yàn)儀提供直流穩(wěn)壓輸出電源和三位半數(shù)字式電壓表以及可調(diào)式磁性攪拌器；直流穩(wěn)壓輸出電源在1.5V～12V連續(xù)可調(diào)；智能式數(shù)字恒溫控制儀可設(shè)定恒溫水浴槽加熱溫度，用以測(cè)定AD590的溫度特性。4．智能式數(shù)字恒溫控制儀使用前應(yīng)將各電位器調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針?lè)较蛐降?。感溫傳感器測(cè)溫端放入注有少量油的玻璃管內(nèi)（與AD590傳感器測(cè)溫端盡量在同一位置）。接通電源后待溫度顯示值出現(xiàn)B==.=時(shí)，可按升溫鍵，設(shè)定用戶(hù)所需要的加熱溫度（恒溫水浴槽使用溫度：10℃—80℃）。再按確定鍵，加熱指示燈發(fā)光，表示加熱開(kāi)始工作。同時(shí)顯示A==.=，為當(dāng)時(shí)水槽的初始溫度。重復(fù)確定鍵可輪換顯示A、B值，按恢復(fù)鍵重新開(kāi)始。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．測(cè)量AD590處于恒定溫度時(shí)的伏安特性將AD590傳感器處于恒定溫度（室溫），直流電源、AD590傳感器、電阻箱（取樣電阻R的阻值為1000Ω）、直流電壓表等按圖4連接電路（AD590的正負(fù)極不能接錯(cuò)，紅線表示接電源正極）。調(diào)節(jié)電源輸出電壓從1.5V～10V，測(cè)量加在AD590傳感器上的電壓UA與輸出電流I的對(duì)應(yīng)值（I=UR/R），要求實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)10組以上。2．測(cè)量AD590傳感器溫度特性將圖4的電鍵撥至2，電源電壓8-10伏，智能式數(shù)字恒溫控制儀加熱溫度設(shè)置為60oC，從室溫開(kāi)始測(cè)量，記錄AD590傳感器所處溫度t與輸出電流I（I=UR/R）的對(duì)應(yīng)值，取8-10組數(shù)據(jù)，填入表中。實(shí)驗(yàn)時(shí)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)，其中注入少量變壓器油，使之有良好熱傳遞。3．制作量程為0～50oC范圍的數(shù)字溫度計(jì)把AD590、三只電阻箱、直流穩(wěn)壓電源及數(shù)字電壓表按電橋電路接好。將帶鋁殼密封的AD590傳感器浸入冰水混合物中。比例臂電阻R1和R2各取1000Ω，調(diào)節(jié)比較臂電阻R0，用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)觀察，使AD590處于0oC時(shí)數(shù)字電壓表示值為零。然后把AD590放入其它溫度如掌心或室溫的水中，利用電橋的非平衡輸出測(cè)定掌心溫度或水溫。用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行讀數(shù)對(duì)比，求出百分差。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1.測(cè)量AD590傳感器的伏安特性

畫(huà)出R=1000Ω時(shí)某恒定溫度下(室溫)AD590傳感器的伏安特性曲線，求出該溫度傳感器溫度與電流線性最小工作電壓Ur。U（V）UR/VI/μA表1.AD590傳感器伏安特性測(cè)量2.測(cè)量AD590傳感器的溫度特性畫(huà)出AD590傳感器的溫度特性曲線，計(jì)算傳感器靈敏度及0oC時(shí)傳感器輸出電流值。將實(shí)驗(yàn)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)г。寫(xiě)出I～t關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。t/oCUR/VI/μA表2.AD590傳感器溫度特性測(cè)量3．制作量程為0～50oC范圍的數(shù)字溫度計(jì)畫(huà)出數(shù)字電阻溫度計(jì)的原理線路圖；討論如