溫度傳感器特性測量及應(yīng)用

溫度傳感器特性測量及應(yīng)用

溫度是科學研究中一個重要的基本物理量，在物理學、化學、熱力學、飛行力學、流體力學等科學的研究中，都離不開對溫度的測量和控制，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。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種新型的集成電路溫度傳感器測溫器件不斷涌現(xiàn)，并大批量生產(chǎn)和擴大應(yīng)用。實驗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溫度的理想線性輸出，一般用于－50℃－＋120℃之間溫度測量。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，它相當于一個恒流源。集成溫度傳器具有以下幾個優(yōu)點：（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；（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；（4）互換性好，使用簡單方便。因此，這類傳感器已在科學研究、工業(yè)和家用電器等方面被廣泛使用于溫度的精確測量和控制。本實驗測量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0～50oC數(shù)字式攝氏溫度計。預(yù)習要點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現(xiàn)電流1μA到電壓1mV的轉(zhuǎn)換。一、實驗?zāi)康暮蛯W習要求學習和掌握AD590電流型集成電路溫度傳感器的特性；測量集成溫度傳感器AD590在某恒定溫度時的伏安特性曲線；測量AD590輸出電流和溫度的關(guān)系；用AD590傳感器設(shè)計并組裝數(shù)字式攝氏溫度計。二、實驗原理集成溫度傳感器實質(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與熱力學溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測：

K—波爾滋蔓常數(shù)；T—絕對溫度；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加有某一直流工作電壓時（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+AI為其輸出電流，單位μA；t為攝氏溫度；A為攝氏零度時的電流值，該值恰好與冰點的熱力學溫度273K相對應(yīng)。B為傳感器的靈敏度（一般AD590的B=1μA/oC）。國際實用溫標也稱絕對溫標，用符號T表示，單位是K(開爾文)。開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，絕對零點即為攝氏零下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的對應(yīng)值，由測量取樣電阻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1k?的恒值電阻，組成最基本的溫度(T)測量電路。那么，在被測溫度一定時，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mV/K的電壓信號輸出，即可實現(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。采用非平衡電橋線路，可以制作一臺數(shù)字式攝氏溫度計，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，數(shù)字電壓顯示值為“0”mv。根據(jù)AD590器件的特性，當其處于toC時，數(shù)字電壓表顯示值為“t”mv。三、實驗儀器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，紅色引線表示接電源正極，黑色引線接電源負端。另一根引線連接外殼，它可以接地，有時也可以不用。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（磁性最強處），調(diào)節(jié)馬達轉(zhuǎn)速電位器，使磁性轉(zhuǎn)子較慢的勻速轉(zhuǎn)動。若轉(zhuǎn)速太快或磁性轉(zhuǎn)子不在中心，均有可能轉(zhuǎn)子離開旋轉(zhuǎn)磁場位置而停止工作，這時須將調(diào)節(jié)馬達轉(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)。3．恒溫控制溫度傳感器實驗儀FD-WTC-D恒溫控制溫度傳感器實驗儀提供直流穩(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)旋鈕逆時針方向旋到底。感溫傳感器測溫端放入注有少量油的玻璃管內(nèi)（與AD590傳感器測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，可按升溫鍵，設(shè)定用戶所需要的加熱溫度（恒溫水浴槽使用溫度：10℃—80℃）。再按確定鍵，加熱指示燈發(fā)光，表示加熱開始工作。同時顯示A==.=，為當時水槽的初始溫度。重復(fù)確定鍵可輪換顯示A、B值，按恢復(fù)鍵重新開始。四、實驗內(nèi)容1．測量AD590處于恒定溫度時的伏安特性將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的正負極不能接錯，紅線表示接電源正極）。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UA與輸出電流I的對應(yīng)值（I=UR/R），要求實驗數(shù)據(jù)10組以上。2．測量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，從室溫開始測量，記錄AD590傳感器所處溫度t與輸出電流I（I=UR/R）的對應(yīng)值，取8-10組數(shù)據(jù)，填入表中。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，兩銅線不可直接放在水中，應(yīng)用一端封閉的薄玻璃管套保護，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，用標準水銀溫度計觀察，使AD590處于0oC時數(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定掌心溫度或水溫。用標準水銀溫度計進行讀數(shù)對比，求出百分差。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1.測量AD590傳感器的伏安特性

畫出R=1000Ω時某恒定溫度下(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傳感器伏安特性測量2.測量AD590傳感器的溫度特性畫出AD590傳感器的溫度特性曲線，計算傳感器靈敏度及0oC時傳感器輸出電流值。將實驗數(shù)據(jù)用最小二乘法進行擬合，求斜率B、截距A和相關(guān)系數(shù)г。寫出I～t關(guān)系的經(jīng)驗公式。t/oCUR/VI/μA表2.AD590傳感器溫度特性測量3．制作量程為0～50oC范圍的數(shù)字溫度計畫出數(shù)字電阻溫度計的原理線路圖；討論如