傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告論文完整版(初稿)1

1、目錄目錄- 1 -摘要：- 1 -關(guān)鍵詞：- 1 -1 引言- 1 -2 溫度傳感器特性及檢測(cè)研究實(shí)驗(yàn)- 1 -2.1 設(shè)計(jì)目的- 1 -2.2 設(shè)計(jì)原理- 1 -2.2.1 AD590的內(nèi)部原理：- 1 -2.2.2 AD590的工作原理- 4 -2.3 設(shè)計(jì)所需的儀器- 5 -2.4 設(shè)計(jì)步驟- 5 -2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)- 5 -2.6 繪圖分析- 6 -2.7 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論- 7 -3 集成溫度傳感器的應(yīng)用的探討- 7 -4 集成溫度傳感器兩種輸出型比較- 7 -5 設(shè)計(jì)心得與體會(huì)- 8 -參考文獻(xiàn)- 9 -致謝- 9 - 8 -集成溫度傳感器的特性集成溫度傳感器的特性摘要：了解常用的集

2、成溫度傳感器AD590的基本原理，然后，設(shè)計(jì)電路檢測(cè)流過(guò)AD590的電流I與溫度的T的線性關(guān)系，畫(huà)出其擬合曲線，分析非線性誤差。最后，討論電流輸出型和電壓輸出型集成溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞：集成溫度傳感器 線性關(guān)系 擬合曲線 非線性誤差1 引言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50150之間測(cè)量，溫敏晶體管是利用管子的集電極電流恒定時(shí)，晶體管的基極發(fā)射極電壓與溫度成線性關(guān)系。為克服溫敏晶體管Ub電壓生產(chǎn)時(shí)的離散性、均采用了特殊的差分電路。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)

3、于一個(gè)恒流源。因此它具有不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾。具有很好的線性特性。本實(shí)驗(yàn)采用的是國(guó)產(chǎn)的AD590。它只需要一種電源（4V30V）。即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在終端使用一只取樣電阻（本實(shí)驗(yàn)中為R2）即可實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。它使用方便且電流型比電壓型的測(cè)量精度更高。2 溫度傳感器特性及檢測(cè)研究實(shí)驗(yàn) 2.1 設(shè)計(jì)目的1.了解常用的集成溫度傳感器AD590的內(nèi)部原理及基本的工作原理。2.設(shè)計(jì)電路檢測(cè)AD590輸出的電壓U與溫度的T的線性關(guān)系。3.討論電流輸出型和電壓輸出型集成溫度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。 2.2 設(shè)計(jì)所需的芯片原理 2.2.1 AD590的內(nèi)部原理：AD590 的

4、內(nèi)部簡(jiǎn)化電路如圖所示。該傳感器由多個(gè)晶體管和電阻組成,其中晶體管制作在一個(gè)半導(dǎo)體單面基片上,因此它們的特性、損耗和發(fā)射極面積能夠相互匹配。整體分析,該電路可看作由兩個(gè)鏡象電流源構(gòu)成。其中,晶體管Q1和Q2組成上鏡象電流源, Q3 和Q4 組成下鏡象電流源。如果設(shè)上鏡象電路的輸出是Q3 的輸入,則Q4 的輸入是上鏡象電路的輸出。圖1 AD590簡(jiǎn)化原理圖設(shè)各晶體管為理想晶體管(即它們的電流放大系數(shù)趨于無(wú)窮大),則知 （1）由于鏡像電流源和的作用，。因此 （2）結(jié)理想伏安特性表達(dá)式為 （3）對(duì)晶體管而言，上式中的即為發(fā)射極電流；為集電極-發(fā)射極反向飽和電流；為基極與發(fā)射極之間的電壓；為溫度的電壓當(dāng)

5、量(即)，為電子電荷，為波爾茲曼常數(shù), 為熱力學(xué)溫度。當(dāng)溫度在之間時(shí)，近似在之間。硅管約為，因此。則（3）可改寫(xiě)為，即 （4）所以， ，有圖知 （5）所以 （6）由于Is正比于各晶體管的發(fā)射極的面積S，所以（6）可改寫(xiě)為 （7）,分別為晶體管,的發(fā)射極面積。若，則，因此 （8） 所以 （9）由上式知，當(dāng)電阻R2的阻值給定時(shí)，I0/T為一恒定值。適當(dāng)選取值R2，可使I0/T等于 （K為熱力學(xué)溫度單位）。由上面的分析知，AD590的輸出電流I0與它所處的熱力學(xué)溫度T成線性關(guān)系，因此實(shí)現(xiàn)了溫度到電流強(qiáng)度的線性變換。保持電源電壓穩(wěn)定,分別使AD590 處于一系列不同的溫度點(diǎn) ,通過(guò)測(cè)量得出相應(yīng)的輸出電

6、流。對(duì)所得的數(shù)據(jù)點(diǎn)用最小二乘法進(jìn)行擬合,可得經(jīng)驗(yàn)公式 (10) 2.2.2 AD590的工作原理如圖為AD590 的外形電路，在制造時(shí)按K氏度標(biāo)定，即在0C時(shí),AD590的電流為273uA，溫度每增加1K氏度，電流隨之增加1uA。AD590相當(dāng)于恒流源，和一電阻串聯(lián)即將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，為了精確起見(jiàn)還應(yīng)有一電位器串入，如果串入1K電阻，溫度每變化1K，電壓變化1mV，且與溫度的變化成正比，即轉(zhuǎn)換當(dāng)量1mV/K。當(dāng)電源電壓在V=4uV30V之間時(shí)，其電流將隨溫度的大小而線性變化。由于電源電壓的變動(dòng)亦會(huì)影響AD590電流輸出，但隨電源電壓的變大，其電壓變動(dòng)所造成的影響將變小，因此建議采用較高

7、電源電壓，AD590對(duì)溫度T的端電流關(guān)系式為： (11) (12)可見(jiàn)電壓輸出V（T）與溫度T呈線性關(guān)系圖2 AD590外形電路圖 2.3 設(shè)計(jì)所需的儀器溫度控制器，加熱源，溫度模塊，數(shù)顯單元，萬(wàn)用表 2.4 設(shè)計(jì)步驟1、將主控箱上總電源關(guān)閉，把主控箱中溫度檢測(cè)與控制單元中的恒流加熱電源輸出與溫度模塊中的恒流輸入連接起來(lái)。2、將溫度模塊中的溫控Pt100與主控箱的Pt100輸入連接起來(lái)。3、將溫度模塊中左上角的AD590接到a、b上（正端接a，負(fù)端接b），再將b、d連接起來(lái)。4、將主控箱的+5V電源接入a和地之間。5、將d和地與主控箱的電壓表輸入端相連（即測(cè)量1K電阻兩端的電壓）。6、開(kāi)啟主電

8、源，將溫度控制器的SV窗口設(shè)定為50（設(shè)置方法見(jiàn)附錄2），以后每隔5設(shè)定一次，即t=5，讀取數(shù)顯表值，將結(jié)果記錄在表中。7、根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算AD590的非線性誤差。 2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下：50556065707580859095100105325329335340343349354359364370375380325329335340343349354359364370375380其中,2.6 繪圖分析圖3 集成溫度傳感器AD590特性線以上數(shù)據(jù)均在保持電源電壓穩(wěn)定情況下測(cè)得,整理數(shù)據(jù)，對(duì)所得的數(shù)據(jù)點(diǎn)用最小二乘法進(jìn)行擬合,可得經(jīng)驗(yàn)公式 ； （13）由MATLAB做出擬合曲線，且得出

9、 p = 1.0049 274.0373即有 （14） 2.7 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論由得出的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，AD590相當(dāng)于一個(gè)274.0370uA的恒流源，串聯(lián)一個(gè)1k的電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，當(dāng)溫度變化1時(shí)，電壓變化1mV，由此可見(jiàn)電壓和溫度之間有良好的線性關(guān)系。3 集成溫度傳感器的應(yīng)用的探討集成溫度傳感器在生產(chǎn)生活中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。各種電子產(chǎn)品如空調(diào)，冰箱等，工業(yè)上的溫控應(yīng)用也很普遍，科研上也有它較廣泛的應(yīng)用。隨著集成溫度傳感器精度的不斷改進(jìn)，其在精度測(cè)量與控制方面有著廣泛的應(yīng)用前景。4 集成溫度傳感器兩種輸出型比較集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電流輸出型

10、傳感器（AD590)的靈敏度為1A/。它的輸出電流精確地正比于絕對(duì)溫度，可以作為精確測(cè)溫元件。可實(shí)現(xiàn)溫度到電流源的轉(zhuǎn)換，使用方便，不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾，除適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量外，特別適用于遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量和控制AD590只需要一個(gè)電源(+4V+30V)，即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流源的轉(zhuǎn)換，使用方便。AD590的校準(zhǔn)精度可達(dá)0.5，當(dāng)其在常溫區(qū)范圍內(nèi)校正后，測(cè)量精度可達(dá)0.1電壓輸出型的靈敏度一般為 10 mVK ，溫度0時(shí)輸出為0，溫度25時(shí)輸出2.982 V。電壓輸出型溫度傳感器在長(zhǎng)距離溫度遙測(cè)和遙控應(yīng)用中易產(chǎn)生電壓信號(hào)損失和噪聲干擾的問(wèn)題。 5 設(shè)計(jì)心得與體會(huì)這學(xué)期我們學(xué)習(xí)了感測(cè)技

11、術(shù)這門(mén)應(yīng)用性較強(qiáng)的課程。主要應(yīng)用各種類(lèi)型的傳感器進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，測(cè)試技術(shù)是測(cè)量和實(shí)驗(yàn)的技術(shù)，涉及到測(cè)試方法的分類(lèi)和選擇，傳感器的選擇、標(biāo)定、安裝以達(dá)到人們的要求。對(duì)于一個(gè)應(yīng)用強(qiáng)較強(qiáng)的課程或技術(shù)，理解它的最好方式就是通過(guò)親自動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)來(lái)加深對(duì)課本上感測(cè)技術(shù)中涉及到的傳感器。因此實(shí)驗(yàn)就在整個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中顯得尤為重要。并且在動(dòng)手實(shí)踐之前必須做好充分的準(zhǔn)備，即對(duì)所涉及到的傳感器的原理、工作方式進(jìn)行深刻的理解。我們小組做了對(duì)集成溫度傳感器的性質(zhì)的探索驗(yàn)證設(shè)計(jì)。主要所應(yīng)用集成溫度傳感器的工作中樞就是AD590。在開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)這個(gè)器件的工作原理的資料進(jìn)行了全面的搜集、整理并對(duì)它的工作原理和在我們實(shí)驗(yàn)所

12、需的模塊中的工作方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。由于我們所做的實(shí)驗(yàn)的電路圖并不復(fù)雜，在電路連接方面還算比較順利。我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的控制溫度變化的加熱器件出現(xiàn)了問(wèn)題，加熱的一個(gè)金屬端脫離了器件影響了傳感器對(duì)溫度的檢測(cè)，出現(xiàn)的結(jié)果就是加熱器件的實(shí)際溫度與模塊中的溫度監(jiān)測(cè)裝置顯示的溫度出現(xiàn)了嚴(yán)重的偏差。最終的影響就是無(wú)法獲得所需要的溫度數(shù)據(jù)。好在在老師的指導(dǎo)下我們很快就查出了問(wèn)題并及時(shí)解決了。這件事給我們最大的教訓(xùn)就是在實(shí)驗(yàn)前除了要準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所涉及的理論知識(shí)，更為重要的就是對(duì)試驗(yàn)器件的檢查，挑出已壞的，避免因以損害的器件影響實(shí)驗(yàn)和浪費(fèi)時(shí)間。 另外一個(gè)問(wèn)題就是對(duì)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)理論的整理，我們不知道對(duì)數(shù)據(jù)的分

13、析應(yīng)從那些角度，應(yīng)用什么樣的參數(shù)來(lái)說(shuō)明，繪制特性曲線時(shí)應(yīng)采用什么方法。其中最為困難的就是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線的誤差分析，它涉及了誤差分析與處理的知識(shí)，不知道對(duì)于一個(gè)曲線應(yīng)從哪些方面對(duì)它進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析和修正。經(jīng)歷了一周左右的時(shí)間，我們的課程設(shè)計(jì)已接近尾聲了。我們以小組的形式進(jìn)行了各個(gè)實(shí)驗(yàn)的探索驗(yàn)證。以小組的形式鍛煉了每個(gè)人的合作能力和與團(tuán)隊(duì)共同參與交流的能力，這正是當(dāng)代大學(xué)生所欠缺的基本素質(zhì)；其次就是鍛煉大家的仔細(xì)和耐心，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤和意外狀況，這就要求同學(xué)們能否在遭遇挫折的時(shí)候能否耐下心來(lái)仔細(xì)的查出電路連接或元器件的錯(cuò)誤；再次豐富了大家的視野，給大家提供一個(gè)綜合多個(gè)學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用的機(jī)會(huì)。例如本次試驗(yàn)中涉及到的模電、感測(cè)技術(shù)、誤差分析與處理、MATLAB等知識(shí)。這些知識(shí)貫穿了實(shí)驗(yàn)自始至終到后續(xù)處理；最后大家學(xué)會(huì)從理論過(guò)渡到實(shí)際，學(xué)會(huì)應(yīng)自身所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題，從實(shí)際中加深對(duì)理論的更深一層的理解。進(jìn)一步鞏固知識(shí)，體會(huì)到本門(mén)課程的實(shí)際應(yīng)用。提高自己動(dòng)手操作的和分析的能力。參考文獻(xiàn)1于