实验十二集成电路温度传感器特性测量

实验十二集成电路温度传感器特性测量一．概述温度传感器的特性测量和定标是大学普通物理热学实验和电磁学实验中的一个基本内容，是新的全国理工科物理实验教学大纲中一个重要实验。为开设好此实验，由复旦大学物理实验教学中心和上海复旦天欣科教仪器有限公司协作，联合研制了采用DS18B20单线数字温度传感器为测量元件的新一代恒温控制仪。新仪器与同类其它仪器相比，有以下四个优点：1)传感器体积小;2)控温精度高;3)无污染及噪声(无水银污染且不用继电器);4)设定温度和测量温度均用数字显示。本实验仪器可用于各种温度传感器的特性测量和各种材料的电阻与温度关系特性测量实验，本仪器也可用于物理化学实验做恒温仪用，它是理工科大学普通物理实验必备重要实验装置之一。二．用途1.电流型集成温度传感器AD590的特性测量和应用:(1)测量AD590输出电流和温度的关系，计算传感器灵敏度及C0时传感器输出电流值。(2)用AD590传感器,电阻箱,数字电压表和直流电源等设计并安装数字式摄氏温度计。(3)测量集成温度传感器AD590在某恒定温度时的伏安特性曲线，求出AD590线性使用范围的最小电压rU。三．仪器组成与技术指标1.仪器组成如图1所示，本机为有单片控制的智能式数字恒温控制仪、量程为0－19.999V四位半数字电压表、直流1.5V-12V稳压输出电源、可调式磁性搅拌器以及2000ml烧杯、加热器、玻璃管（内放变压器油和被测集成温度传感器）等组成。-2-功放89C2051单片电脑4位数字显示加热器控温传感器被测传感器搅拌器恒温水槽DC5VDC12VDC1.5—12V5位数字电压表直流电机调速DC12输出测量输入数据译码器图12.技术指标：A.温控仪(1)温度计显示工作温度：0℃－100℃(2)恒温控制温度：室温－80oC(3)控制恒温显示分辨精度：≤±0.1℃B.直流数字电压表(1)量程：0－19.999V(2)读数准确度：量程0.03%±5个字(3)输出电阻：20Ω(为了防止长时间短路内接电阻)C.温度传感器DS18B20的结构与技术特性（控温及测温用）：(1)温度测量范围：-55℃－125℃(2)测温分辨率：0.0625℃(3)引脚排列(如图2所示)：1（GND）：地2（DQ）：单线运用的数据输入输出引脚3（VDD）：可选的电源引脚图2-3-(4)封装形式：TO-92详细应用请参阅相关资料D.待测温度传感器AD590技术特性：(1)工作温度：—55℃—150℃(2)工作电压：4.5V—24V(3)灵敏度：1μA/℃，线性元件(4)0℃时输出电流约273μAE.加热器：(1)工作电压：交流10V—150V(2)工作电流：交流最大1.5A四.仪器使用方法1.使用前将电位器调节旋钮逆时针方向旋到底，把接有DS18B20传感器接线端插头插在后面的插座上，DS18B20测温端放入注有少量油的玻璃管内(直径16mm)；在2000ml大烧杯内注入1600ml的净水，放入搅拌器和加热器后盖上铝盖并固定。2.接通电源后待温度显示值出现“B==.=”时可按“升温”键，设定用户所需的温度，再按“确定”键，加热指示灯发光，表示加热开始工作，同时显示“A==.=”为当时水槽的初始温度，再按“确定”键显示“B==.=”表示原设定值，重复确定键可轮换显示A、B值；A为水温值，B设定值，另有“恢复”键可以重新开始。五.注意事项1.AD590集成温度传感器的正负极性不能接错，红线表示接线电源正极。2.AD590集成温度传感器不能直接放入水中或冰水混合物中测量温度，若测量水温或冰水混合物温度，须插入到加有少量油的玻璃的玻璃细管内，再插入待测物测温。3.搅拌器转速不宜太快，若转速太快或磁性转子不在中心，有可能转子离开旋转磁场位置而停止工作，这时须将调节马达转速电位器逆时针调至最小，让磁性转子回到磁场中，再旋转。4.热敏电阻的工作电流应小于300μA,防止自热引入误差，实验时，直流电源调节旋钮可反时针调到底。用数字电压表测得电源为1.5V方可使用。5.2000ml烧杯的底部必须平整，更换大烧杯时请注意。5.倒去烧杯中水时，注意应先取出磁性浮子保管好，以避免遗失。-4-集成电路温度传感器的特性测量及应用（复旦大学物理教学实验中心提供）随着科技的发展，各种新型的集成电路温度传感器器件不断涌现，并大批量生产和扩大应用。这类集成电路测温器件有以下几个优点：（1）温度变化引起输出量的变化呈现良好的线性关系；（2）不像热电偶那样需要参考点；（3）抗干扰能力强；（4）互换性好，使用简单方便。因此，这类传感器已在科学研究、工业和家用电器温度传感器等方面被广泛使用于温度的精确测量和控制。本实验要求测量电流型集成电路温度传感器的输出电流与温度的关系，熟悉该传感器的基本特性，并采用非平衡电桥法，组装成为一台0－50oC数字式温度计。A.实验原理AD590集成电路温度传感器是由多个参数相同的三极管和电阻组成。该器件的两端当加有某一定直流工作电压时（一般工作电压可在4.5V－20V范围内），它的输出电流与温度满足如下关系：I=BT+A式中，I为其输出电流，单位μA，T为摄氏温度，B为斜率（一般AD590的B=1μA/oC,即如果该温度传感器的温度升高或降低1oC，那传感器的输出电流增加或减少1μA），A为摄氏零度时的电流值，其值恰好与冰点的热力学温度273K相对应。（对市售一般AD590，其A值从273－278μA略有差异。）利用AD590集成电路温度传感器的上述特性，可以制成各种用途的温度计。采用非平衡电桥线路，可以制作一台数字式摄氏温度计，即AD590器件在0oC时，数字电压显示值为“0”，而当AD590器件处于ToC时，数字电压表显示值为“T”。B.实验仪器1.AD590电流型集成温度传感器AD590为两端式集成电路温度传感器，它的管脚引出端有两个，如图4所示：序号1接电源正端U+（红色引线）。序号2接电源负端U-(黑色引线)。至于序号3连接外壳，它可以接地，有时也可以不用。AD590工作电压4－30V，通常工作电压6－15V，但不能小于4V，小于4V出现非线性。2.FD-WTC-D型恒温控制温度传感器实验仪，0－50oC水银温度计等。-5-C.实验内容必做内容：1.AD590传感器的输出电流和工作电压关系测量。将AD590传感器处于恒定温度，将直流电源、AD590传感器、电阻箱、直流电压表等按图7接电路线,取样电阻R的阻值为10000Ω。调节电源输出电压从1.5V－10V，测量加在AD590传感器上的电压U与输出电流I（I=UR/R）的对应值，要求实验数据10点以上。用坐标纸做AD590传感器输出电流I与工作电压U的关系图，求出该温度传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压Ur。2.AD590传感器温度特性测量。按图5接线（AD590的正负极不能接错）。测量AD590集成电路温度传感器的电流I与温度T的关系，取样电阻R的阻值为10000Ω。把实验数据用最小二乘法进行拟合，-6-求斜率B截距A和相关系数г。实验时应注意AD590温度传感器为二端铜线引出，为防止极间短路，两铜线不可直接放在水中，应用一端封闭的薄玻璃管套保护，其中注入少量变压油，使之有良好热传递。（实验中如何保证AD590集成温度传感器与水银温度计处在同一温度位置）选做内容：1.制作量程为0－50oC范围的数字温度计。把AD590、三只电阻箱、直流稳压电源及数字电压表按图6接好。将AD590放入冰点槽中，R2和R3各取1000Ω，调节R4使数字电压表示值为零。然后把AD590放入其他温度如室温的水中，用标准水银温度计进行读数对比，求出百分差。（冰点槽中冰水混合物为湿冰霜状态才能真正达到0oC温度）2.令图6中电源电压发生变化，如从8V变为10V，观测一下，AD590传感器输出电流有无变化？分析其原因。D.实验数据例1.测量AD590传感器的伏安特性表1AD590传感器伏安特性测量T=3.0oC，R=10000ΩU/V1.3261.5891.7362.0652.3422.4562.5332.6802.7132.8803.0103.2523.4403.6434.100UR/V0.2000.7771.1301.7952.3062.4952.6162.7702.7752.7602.7592.7592.7602.7602.760I/μA20.077.7113.0179.5230.6249.5261.6277.0277.5276.0275.9275.9276.0276.0276.0050100150200250300012345U/VI/μAUr≈2.68V-7-图8温度为T=3.0oC时，AD590传感器伏安特性曲线2.测量AD590传感器输出电流I和温度T之间的关系。求I-T关系的经验公式。表2AD590传感器温度特性测量T/oC29.034.237.040.042.845.849.2UR/V3.0363.0863.1123.1433.1683.1963.239I/μA303.6308.6311.2314.3316.8319.6323.9表2数据用CasIo-3600计算器最小二乘法拟合得：斜率B=0.987μA/oC；截距A=274.8μA；相关系数г=0.999所以，I-T关系为：I=0.987T+275与灵敏度标准值B=1.000μA/oC相比百分误差为1.3%.由于采用量程0－100oC（分度值1oC）普通水银温度计测量，所以测量值B的相对误差大些。3.制作摄氏温度计由于灵敏度小于1.000μA/oC,所以R2值取略大于1000Ω，本实验取R2=R3=1.000mV/B=1.000/0.987=1012.9Ω.将冰用刨冰机制成冰霜放入保温杯中压紧，并用玻璃管压1小洞。将带玻璃管传感器浸入冰霜中，把仪器接成图6电桥电路。调节R4，使T=0oC时，数字电压表输出U=0mV。用自制摄氏温度计测室温水温为28.7oC，而水银温度计读数为28.7oC.E.思考题1.电流型集成电路温度传感器有哪些特性？它比半导体热敏电阻、热电偶有哪些优点？2.如果AD590集成电路温度传感器的灵敏度不是严格的1.000μA/oC，而是略有异差，请考虑如何利用改变R2的值，使数字式温度计测量误差减少？-1-实验参考数据表格：1.测量AD590传感器的伏安特性表1AD590传感器伏安特性测量T=oC，R=10000ΩU/VUR/VI/μA2.测量AD590传感器输出电流I和温度T之间的关系。求I-T关系的经验公式。表2AD590传感器温度特性测量T/oCUR/VI/μA学生：实验时间：教师签名：