科大奥瑞物理实验——AD590温度特性测试与研究

实验名称：AD590温度特性测试与研究

1. 实验目的：

1. 在恒定温度条件下，测量正向电压随正向电流的变化关系，绘制伏安特性曲线。
2. 用 AD590 传感器设计数字温度计。
3. 测量 AD590 集成电路温度传感器的电流 I 与温度 t 的关系。

2. 实验器材：

温度传感实验装置
样品室
万用表
直流稳压电压源
DH4568固定精密电阻器
标准电阻箱
双刀双掷开关
Pt100温度传感器
PN结集成温度传感器
AD590集成温度传感器

3. 实验原理

1、AD590温度特性

图1. AD590温度传感器
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4.5~20V范围内），它的输出电流与温度满足如下关系：

式中，I为其输出电流，单位：uA，t为摄氏温度，B为斜率,一般AD590的B=1uA/℃，即如果该温度传感器的温度升高或降低1℃，那么传感器的输出电流增加或减少1uA，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，A=273~278uA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0℃时，数字电压显示值为“0”，而当AD590器件处于t℃时，数字电压表显示值为“t”。

2、Pt100铂电阻的测温原理

图2. Pt100温度传感器
金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω，电阻变化率为0.3851Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。
按IEC751国际标准， 温度系数TCR=0.003851，Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R0=1000Ω）为统一设计型铂电阻。
TCR=(R100-R0)/(R0×100) （1）
100℃时标准电阻值R100=138.51Ω。100℃时标准电阻值R1000=1385.1Ω。
Pt100电阻的阻值随温度变化而变化计算公式：
-200 0 Rt在t℃时的电阻值；R0在0℃时的电阻值 。式中A、B、C的系数各为： A=3.90802×10-3C-1；B=-5.802×10-7C-2；C=-4.27350×10-12C-4 。
三线制接法要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，通过计算可知：

当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。

3、目前热电阻的引线主要有三种方式

1）、二线制：如图3所示，在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。
2）、三线制：如图4所示，在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。
3）、四线制：如图5所示，在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

图3 二线制电路图

图4三线制电路图

图5 四线制电路图

4. 实验内容与步骤

1.用AD590传感器设计数字温度计
2.测量AD590集成电路温度传感器的电流I与温度t的关系。
3．选做内容：
（1）参考图6–图8设计方案：
测量AD590传感器的电流-温度关系；
用AD590传感器设计（30℃~80℃）的数字温度计；
用你设计的AD590传感器设计的数字温度计完成上述实验内容2，并与PT100的数字温度计的测量结果相比较。
（2）自行设计方案，用给定的PN结测量室温。

5. 实验记录

6. 数据处理及误差分析

绘图得下图：

由excel表格得
电流I与温度t的关系式为y=0.9927x+273.49
斜率约为0.99
相关系数r=0.9997（约为1.00）
填写如下表格：

7. 思考题及实验小结

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？
   答：(1)电流型集成电路温度传感器的特点：输出线性、精度高、体积小、成本低。比半导体热敏电阻线性好，但工作范围比热电阻、热电偶要小。激励电压可以从+4V～＋30Y。即使电源在4V—30V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。这种传感器最大的缺点是：测温范围较小。目前约在－55～+150℃
   (2)①电流型集成电路温度传感器与半导体热敏电阻相比，精度高、线性好。
   　 ②电流型集成电路温度传感器与热电偶相比，允许的测量范围要小得多
   （热电偶可测范围-270~+2300℃）。
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。
   答：如图所示，直流单臂电桥在平衡时， UBD =0，各桥臂电阻之间的关系有
   

如果被测电阻 Rx的阻值发生改变，而其它参数不变，将导致 UBD ≠0 ，UBD 是 Rx 的函数，因此可以通过 UBD 的大小来反映 Rx 的变化。这种用电桥的非平衡输出来反映桥臂电阻变化量的方法就是非平衡电桥的应用。
把AD590、三只电阻箱、直流稳压电源及数字电压表按电桥电路接好。将带铝壳密封的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(1.000 μA /°C ）
处于0℃时数字电压表示值为零 mv ，则AD590处于t°C 时数字电压表示值为 tmv 。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。

3. 如果 AD590 集成电路温度传感器的灵敏度 B 不是严格的 1.000uA/℃，而是略有差异，请写出解决问题的办法。
   答：AD590相当于是受温度控制的恒流源，R1越大，取得的电压就越高。一般是在R1上串一个多圈可调电阻。