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中国民航大学:《大学物理实验》课程教学资源(教案讲义)温度传感器特性测量及应用

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实验14温度传感器特性测量及应用 温度是科学研究中一个重要的基木物理量,在物理学、化学、热力学、飞行力学 流体力学等科学的研究中,都离不开对温度的测量和控制,许多工业产品的质量和产量 都与温府右直接关系。随若科学技术的发展,各种新型的集成电路温府传感器器件不渐 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。本实哈要求测量电流型 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,组装一台0~50℃数字式温度计。 实验目的和学习要求 L.学习和掌握AD590电流型集成电路温度传感器的特性 2.测量集成温度传感器AD590在某恒定温度时的伏安特性曲线: 3.测量AD590输出电流和温度的关系: 4.用AD590传感器设计并组装数字式摄氏温度计 实验原理 集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上,它能直接给出正 比于绝对温度的理想线性输出, 般用于-50℃-+120℃之间温度测量。集成温度传 感器有电压输出型和电流输出型二种,电流输出型集成温度传感器,在一定温度下,它 相当于一个恒流源,因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰,具有很 好的线性特性。 本实验采用的是AD590电流型集成温度传感器,该器件的两端当加有 一直流工作 电压时(一般工作电压可在4.5V~20V范围内),其输出电流(I)与温度(T)成正比。 I=BT+A 式中,I为其输出电流,单位μA:T为摄氏温度:B为传感器的灵敏度(一般AD590 的1μA/℃,即如果该温度传感器的温度升高或降低1℃,则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,该值恰好与冰点的热力学温度273K相对应。(对 市售的一般AD590,其A值从273~278μA略有差异)。所以只要串接一只取样电阻R (1kQ)即可实现电流1μA到电压1mV的转换,组成最基本的温度(T)测量电路(1V/C) 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0℃时,数字电压显 示值为“0”v,而当AD590器件处于tC时,数字电压表显示值为“t”v 实验仪器 智能式数字恒温控制仪:量程0~19.999V四位半数字式电压表:直流1.5V~12V 稳压输出电源:可调式磁性搅拌器以及加热器、玻璃管、和AD590集成温度传感器:ZX21 型电阻箱,保温杯,水银温度计等

实验 14 温度传感器特性测量及应用 温度是科学研究中一个重要的基本物理量,在物理学、化学、热力学、飞行力学、 流体力学等科学的研究中,都离不开对温度的测量和控制,许多工业产品的质量和产量 都与温度有直接关系。随着科学技术的发展,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,组装一台 0~50o C 数字式温度计。 实验目的和学习要求 1. 学习和掌握AD590电流型集成电路温度传感器的特性; 2. 测量集成温度传感器 AD590 在某恒定温度时的伏安特性曲线; 3. 测量AD590输出电流和温度的关系; 4. 用 AD590 传感器设计并组装数字式摄氏温度计。 实验原理 集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上,它能直接给出正 比于绝对温度的理想线性输出,一般用于-50℃-+120℃之间温度测量。集成温度传 感器有电压输出型和电流输出型二种,电流输出型集成温度传感器,在一定温度下,它 相当于一个恒流源,因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰,具有很 好的线性特性。 本实验采用的是 AD590 电流型集成温度传感器,该器件的两端当加有某一直流工作 电压时(一般工作电压可在 4.5V~20V 范围内),其输出电流(I)与温度(T)成正比。 I=BT+A 式中,I 为其输出电流,单位μA;T 为摄氏温度;B 为传感器的灵敏度(一般 AD590 的 B=1μA/o C,即如果该温度传感器的温度升高或降低 1 o C,则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,该值恰好与冰点的热力学温度 273K 相对应。(对 市售的一般 AD590,其 A 值从 273~278μA 略有差异)。所以只要串接一只取样电阻R (1kΩ)即可实现电流 1μA 到电压 1mV 的转换,组成最基本的温度(T)测量电路(1mV/ o C)。 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 0 o C 时,数字电压显 示值为“0”mv,而当 AD590 器件处于 t o C 时,数字电压表显示值为“t”mv。 实验仪器 智能式数字恒温控制仪;量程 0~19.999V 四位半数字式电压表;直流 1.5V~12V 稳压输出电源;可调式磁性搅拌器以及加热器、玻璃管、和 AD590 集成温度传感器;ZX21 型电阻箱,保温杯,水银温度计等

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,它的管脚引出有两个,红色引线表示接电源 正极,黑色引线接电源负端。另一根引线连接外壳,它可以接地,有时也可以不用。AD590 工作电压4~30V,但不能小于4V,小于4V出现非线性,通常工作电压10~15V。 2.稳温控制器采用水浴恒温槽,在2000ml大烧杯内注入1600ml的净水,把AD590 传感器测温端放入注有少量油的玻璃管内,盖上铝盖。 2000m1大烧杯放在恒温控制仪盖板上指定位置(磁性最强处),搅拌用的磁性转子 必须处在大烧杯的中间部位。调节马达转速电位器,使磁性转子较慢的匀速转动。若转 速太快或磁性转子不在中心,均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。 3.智能式数字恒温控制仪,使用前应将各电位器调节旋钮逆时针方向旋到底。感 温传感器测温端放入注有少量油的玻璃管内(与AD590传感器测温端尽量在同一位置)。 接通电源后待温度显示值出现=三,=时,可按升温键,设定用户所需要的加热温度(恒 温水浴槽使用温度:10℃一80℃)。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。重复确定键可轮换显示A、B值,按恢复键 重新开始。 实验内容 1.测量AD590传感器处于恒定温度的伏安 特性。 将带铝壳密封的AD590传感器处于恒定温 度(室温),将直流电源、AD590传感器、电阻 箱(取样电阻R的阻值为1000Q)、直流电压表 等按图14-1连接电路(AD590的正负极不能接 图14-】40590代安特性测至 错,红线表示接电源正极)。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1(I=U/R)的对应值, 要求实验数据10组以上。 2.AD590传感器温度特性测量。 将图14-1的电键拨至2,测量AD590集成电路温度传感器的电流I与温度t的关 系。智能式数字恒温控制仪加热温度设置为60℃,从室温开始测量,记录AD590传感器 所处温度t与输出电流I(I=/R)的对应值,取8-10组数据,填入表2中。 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,其中注入少量变压器油,使之有良好热 传递。 3.制作量程为0~50℃范围的数字温度计 把带铝壳密封的AD590传感器、三只电阻箱、直流稳压电源及数字电压表按电桥电 路接好,直流稳压电源输出置于使AD590传感器有线性输出位置。将AD590传感器浸入 冰水混合物中。比例臂电阻R和R各取1000Q,调节比较臂电阻R,用标准水银温度 计观察,使AD590处于0℃时数字电压表示值为零。然后把AD590放入其它温度如掌心 或室温的水中,利用电桥的非平衡输出测定掌心温度或水温。用标准水银温度计进行读

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,它的管脚引出有两个,红色引线表示接电源 正极,黑色引线接电源负端。另一根引线连接外壳,它可以接地,有时也可以不用。AD590 工作电压 4~30V,但不能小于 4V,小于 4V 出现非线性,通常工作电压 10~15V。 2.稳温控制器采用水浴恒温槽,在 2000ml 大烧杯内注入 1600ml 的净水,把 AD590 传感器测温端放入注有少量油的玻璃管内,盖上铝盖。 2000ml 大烧杯放在恒温控制仪盖板上指定位置(磁性最强处),搅拌用的磁性转子 必须处在大烧杯的中间部位。调节马达转速电位器,使磁性转子较慢的匀速转动。若转 速太快或磁性转子不在中心,均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。 3.智能式数字恒温控制仪,使用前应将各电位器调节旋钮逆时针方向旋到底。感 温传感器测温端放入注有少量油的玻璃管内(与 AD590 传感器测温端尽量在同一位置)。 接通电源后待温度显示值出现 B= =.= 时,可按升温键,设定用户所需要的加热温度(恒 温水浴槽使用温度:10℃—80℃)。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。重复确定键可轮换显示 A、B 值,按恢复键 重新开始。 实验内容 1.测量 AD590 传感器处于恒定温度的伏安 特性。 将带铝壳密封的 AD590 传感器处于恒定温 度(室温),将直流电源、AD590 传感器、电阻 箱(取样电阻 R 的阻值为 1000Ω)、直流电压表 等按图 14-1 连接电路(AD590 的正负极不能接 错,红线表示接电源正极)。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 组以上。 2.AD590 传感器温度特性测量。 将图 14-1 的电键拨至 2,测量 AD590 集成电路温度传感器的电流 I 与温度 t 的关 系。智能式数字恒温控制仪加热温度设置为 60o C,从室温开始测量,记录 AD590 传感器 所处温度 t 与输出电流 I(I=UR/R)的对应值,取 8-10 组数据,填入表 2 中。 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,其中注入少量变压器油,使之有良好热 传递。 3.制作量程为 0~50o C 范围的数字温度计。 把带铝壳密封的 AD590 传感器、三只电阻箱、直流稳压电源及数字电压表按电桥电 路接好,直流稳压电源输出置于使 AD590 传感器有线性输出位置。将 AD590 传感器浸入 冰水混合物中。比例臂电阻 R1 和 R2 各取 1000Ω,调节比较臂电阻 R0,用标准水银温度 计观察,使 AD590 处于 0 o C 时数字电压表示值为零。然后把 AD590 放入其它温度如掌心 或室温的水中,利用电桥的非平衡输出测定掌心温度或水温。用标准水银温度计进行读

数对比,求出百分差。 图14-2电阻温度计的电桥电路 数据记录与数据处理 1.测量AD590传感器的伏安特性。画出R=1000Q时某恒定温度下(室温)D590传感 器的伏安特性曲线,求出该温度传感器温度与电流线性最小工作电压儿,。 表1.AD590传感器伏安特性测量 U (V) U/V I/μA 2.测量AD590传感器输出电流I和温度t之间的关系。画出AD590传感器的温度特性 线,计算传感器灵敏度及0°C时传感器输出电流值。 将实验数据用最小二乘法进行拟合,求斜率B、截距A和相关系数Γ。求I~t关

数对比,求出百分差。 数据记录与数据处理 1.测量 AD590 传感器的伏安特性。画出 R=1000Ω时某恒定温度下(室温)AD590 传感 器的伏安特性曲线,求出该温度传感器温度与电流线性最小工作电压 Ur。 表 1.AD590 传感器伏安特性测量 U(V) UR/V I/μA 2.测量AD590传感器输出电流I和温度t之间的关系。画出AD590传感器的温度特性曲 线,计算传感器灵敏度及 C  0 时传感器输出电流值。 将实验数据用最小二乘法进行拟合,求斜率 B、截距 A 和相关系数г。求 I~t 关 图 14-2 电阻温度计的电桥电路

系的经验公式。 表2.AD590传感器温度特性测量 t/c I/V I/μA 3.画出电阻温度计的电桥电路图,记录AD590处于0C,电桥平衡时各电阻箱的示 值及所测掌心温度。 思考题 1.电流型集成电路温度传感器有哪些特性?它与半导体热敏电阻、热电偶相比有哪 些优点? 2.如何用AD590集成电路温度传感器制作一个热力学温度计,请画出电路图,说明 调节方法。 3.如果AD590集成电路温度传感器的灵敏度不是严格的1.000μA/℃,而是略有异 差,请考虑如何利用改变R的值,使数字式温度计测量误差减小? 4.电桥直流电源的输出不稳定,对温度测量有影响吗?请说明理由。 注意事项 1.没有密封的AD590集成温度传感器不能直接放入水中或冰水混合物中测温度。 2.搅拌器转速不宜太快,只要均匀慢速搅拌即可。 3.注意油管不要与加热管接触: 4.倒去烧杯中水时,注意磁性浮子不可倒入水池,以避免遗失

系的经验公式。 表 2.AD590 传感器温度特性测量 t/o C UR/V I/μA 3.画出电阻温度计的电桥电路图,记录 AD590 处于 0 o C,电桥平衡时各电阻箱的示 值及所测掌心温度。 思考题 1.电流型集成电路温度传感器有哪些特性?它与半导体热敏电阻、热电偶相比有哪 些优点? 2.如何用 AD590 集成电路温度传感器制作一个热力学温度计,请画出电路图,说明 调节方法。 3.如果 AD590 集成电路温度传感器的灵敏度不是严格的 1.000μA/o C,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小? 4.电桥直流电源的输出不稳定,对温度测量有影响吗?请说明理由。 注意事项 1. 没有密封的 AD590 集成温度传感器不能直接放入水中或冰水混合物中测温度。 2. 搅拌器转速不宜太快,只要均匀慢速搅拌即可。 3. 注意油管不要与加热管接触; 4. 倒去烧杯中水时,注意磁性浮子不可倒入水池,以避免遗失

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