姜貴君 曹學(xué)成 王永剛 高 峰 叢曉燕

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東 泰安 271018)

AD590集成電路溫度傳感器(以下簡稱AD590傳感器)的特性測量和數(shù)字溫度計設(shè)計是大學(xué)物理熱學(xué)實驗和電磁學(xué)實驗中的一個基本內(nèi)容，是理工科物理實驗教學(xué)大綱中的一個重要實驗.AD590傳感器的特性測量實驗所用的實驗儀有很多，如FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀、HAD-FD-WTC-D 恒溫控制溫度傳感器實驗儀、FB810型恒溫控制溫度傳感器實驗儀 、DT307-WTC-D 恒溫控制溫度傳感器實驗儀等.本文重點研究了利用FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀來表征AD590傳感器的伏安特性、溫度特性和數(shù)字溫度計設(shè)計實驗過程中，存在的一些問題及方法的改進(jìn).

1 實驗材料與儀器設(shè)備

1.1 AD590傳感器

本實驗采用國產(chǎn)的 AD590傳感器，它是一種已經(jīng)IC化的溫度傳感器，可實現(xiàn)溫度到電流的線性變換.其技術(shù)指標(biāo)是：

(1)工作溫度：-55～150 ℃.

(2)工作電壓：4～30 V，不能小于4 V，小于4 V出現(xiàn)非線性；最大正向電壓+44 V，最大反向電壓-20 V.

(3)輸出電阻：710 MΩ.

(4)輸出電流與溫度關(guān)系：在0 ℃時輸出電流約273 μA；輸出電流與溫度成線性關(guān)系，每增加1 K(1℃)電流增加1 μA.

1.2 FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀

FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀是一種單片控制的智能式數(shù)字恒溫控制儀，是由上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司生產(chǎn)，其附件包括燒杯、加熱器、磁性轉(zhuǎn)子、玻璃管(內(nèi)放變壓器油和傳感器)、DS18B20溫度傳感器等.其技術(shù)指標(biāo)是：

(1)溫控儀：恒溫控制溫度，室溫～80 ℃；控制恒溫顯示分辨精度，≤±0.1 ℃.

(2)直流穩(wěn)壓電源：輸出電壓1.5～12 V，連續(xù)可調(diào)；輸出電阻為20 Ω(為了防止長時間短路內(nèi)接電阻).

(3)直流數(shù)字電壓表(四位半數(shù)字毫伏電壓表)：量程為0～19.999V；數(shù)字電壓表分辨率>0.001 V(1 mV).

(4)DS18B20溫度傳感器：測量溫度范圍為-55～125 ℃.

(5)加熱器：工作交流電壓10～150 V；工作交流最大電流1.5 A.

2 實驗原理

AD590傳感器的特性測量主要包括伏安特性和溫度特性的測量[1].伏安特性和溫度特性的測量均采用如圖1所示的電路.由于AD590傳感器內(nèi)阻比較大，電源電壓E基本都加在溫度傳感器的兩端.

圖1 伏安特性和溫度特性的測量電路原理圖

AD590傳感器的溫度特性測量,如圖1所示.先將雙擲開關(guān)S與1接通，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源使AD590傳感器上電壓U為大于4 V的某一固定值(小于4 V出現(xiàn)非線性，一般設(shè)在5～12 V之間)；再將雙擲開關(guān)S與2接通，隨著溫度上升測得電阻上的電壓值，由

計算出AD590傳感器輸出電流與溫度t的對應(yīng)值.AD590傳感器輸出的電流值與溫度滿足的線性關(guān)系是

I=kt+I0

其中k=1μA/℃，t表示攝氏溫度，I0≈273μA(0 ℃的電流值).

利用AD590傳感器的溫度特性，可以制成各種用途的溫度計.如圖2所示是它的原理圖，采用非平衡電橋線路，可以制作一臺攝氏溫度計，即AD590傳感器在0 ℃時，電壓顯示值為“0”，而當(dāng)AD590傳感器處于t℃時，電壓表顯示值為“t”[1,2].

圖2 數(shù)字式溫度表原理圖

3 實驗方法的研究及改進(jìn)

3.1 AD590傳感器特性測量電路圖的改進(jìn)

關(guān)于AD590傳感器的伏安特性和溫度特性測量，如果采用圖1的電路圖進(jìn)行實驗，通過單刀雙擲開關(guān)可測得電阻R和AD590傳感器的兩端電壓.測量結(jié)果表明，電壓表的讀數(shù)如果是一個為正值，則另一個必然為負(fù)值，學(xué)生做實驗必然產(chǎn)生疑問[3,4].為此，把電路圖改為圖3所示的電路圖，將單刀雙擲開關(guān)改為雙刀雙擲開關(guān)，這樣測得的值都為正值.通過電路圖的改進(jìn)很好地解決了因電壓表的讀數(shù)為負(fù)值所帶來的不便和困惑.

圖3 改進(jìn)后的傳感器特性測量電路圖

3.2 用AD590傳感器設(shè)計一臺數(shù)字溫度計

用AD590傳感器設(shè)計一臺數(shù)字溫度計的原理圖如圖2所示，下面從3個方面論述實驗方法的改進(jìn)、分析及研究[5].

(1)電阻R1和R2的取值分析

數(shù)字溫度計設(shè)計線路中有3個電阻，電阻R1的取值是關(guān)鍵，當(dāng)電阻R1的阻值確定后，電阻R2一般與R1取相同的阻值.根據(jù)溫控實驗儀上的電壓表顯示最小值為1 mV、顯示的溫度最小值為0.1 ℃和AD590傳感器每增加1 ℃電流增加1 μA等特點，那么電阻R1和R2的取值可有以下兩種選擇.

1)R1和R2各取1 kΩ

2)R1和R2各取10 kΩ

綜合上述分析，建議學(xué)生在做溫度計設(shè)計時，R1和R2可根據(jù)實驗的精度要求進(jìn)行選擇.

(2)定標(biāo)和數(shù)據(jù)記錄的方法及技巧

定標(biāo)是用AD590集成電路溫度傳感器設(shè)計溫度計的重要一步.在進(jìn)行定標(biāo)時，除了確定電阻R1和R2的取值外，還要確定電源輸出電壓值，如果電源輸出電壓值小了，AD590傳感器可能處于非線性工作狀態(tài)，那么電源輸出電壓值不能滿足實驗的要求[6,7].本研究表明，如果R1和R2各取1 kΩ，電源輸出電壓需在5 V以上，如果R1和R2各取10 kΩ，電源輸出電壓需在6 V以上.

定標(biāo)的方法有0 ℃定標(biāo)和室溫定標(biāo).一般要求學(xué)生做此實驗采用室溫定標(biāo).所謂室溫定標(biāo)是指將AD590溫度傳感器放置于室溫為ts℃的水中，認(rèn)為電路A端是室溫ts℃的溫度.調(diào)整電阻R3大小，使UAB=tsmV，這就是室溫定標(biāo).

下面我們以設(shè)計制作分度值標(biāo)定為1 ℃的攝氏溫度計(0～50 ℃)為例，如果實驗采取室溫定標(biāo)，R1和R2各取1 kΩ，電源輸出電壓可取5～12 V之間某一電壓值.假設(shè)室溫為25.4 ℃(即實驗儀顯示的溫度值)，因為此時電壓表顯示的最小值為1 mV(1 ℃)，電壓表只能顯示出兩位有效數(shù)字，那么怎樣定標(biāo)更準(zhǔn)確呢？

調(diào)整R3使它的電阻由小逐漸增大，先使電壓表顯示值為25.開始加溫，隨著溫度增高，實驗儀顯示的溫度值增加，這時繼續(xù)增加R3的電阻大小，當(dāng)實驗儀顯示的溫度值為26.0 ℃時，使電壓表顯示值也由小逐漸增大到剛好為26即26.0 mV.此方法可稱為溫度動態(tài)定標(biāo).這樣定標(biāo)已完成，并記下R3的電阻值.

定標(biāo)結(jié)束后，關(guān)鍵問題是在加熱升溫過程中如何記錄數(shù)據(jù).改進(jìn)的方法是：根據(jù)定標(biāo)的初始溫度和設(shè)定的最高溫度，按要求每升高1～3 ℃記錄一組數(shù)據(jù)，可先把電壓表的數(shù)值提前設(shè)計出來填入表中(見表1)，然后開始加熱升溫，當(dāng)電壓表顯示表中數(shù)值時，記錄實驗儀顯示的溫度值.例如：準(zhǔn)備在28℃時記錄一組數(shù)據(jù)，當(dāng)電壓表顯示值剛出現(xiàn)28時，即電壓值為28.0mV，這時如果實驗儀顯示的溫度值是28.1，就記錄28.1 ℃.這種依據(jù)電壓表讀數(shù)記錄溫度值的方法準(zhǔn)確度高，實驗效果好.

表1 AD590傳感器數(shù)字溫度計設(shè)計數(shù)據(jù)表

(3)電壓表顯示值與實驗儀顯示的溫度值不相符的原因分析

在加熱升溫過程中，有時出現(xiàn)電壓表顯示值與實驗儀顯示溫度值不相符的現(xiàn)象，也就是兩者顯示的值增加的幅度不同步.其原因主要有4個方面：

一是電源輸出電壓值較小引起的.見前面(2)，這里不再論述.

二是AD590傳感器本身的原因.理論上，AD590傳感器的輸出電流與溫度滿足線性關(guān)系I=kt+I0，其中k=1 μA/℃，I0≈273 μA，實際上k值不等于1 μA/℃，對于市售的AD590溫度傳感器，其I0值在273 μA左右，略有差異.當(dāng)k>1 μA/℃時，根據(jù)它的原理圖及實驗可知，R1阻值兩端的電壓及A點的電位增加快，即電壓表顯示的電壓值比實驗儀顯示的溫度值增加得快，反之就慢.

三是R1阻值不等于1 kΩ或10 kΩ的原因.產(chǎn)生這種情況的原因主要是電阻箱或者連線時接觸電阻(接觸不良)引起的誤差.在加熱升溫過程中，如果電壓表顯示值比實驗儀顯示的溫度值逐漸變大，經(jīng)理論分析和實際實驗驗證，原因在于R1阻值較大；反之較小.只要對R1的阻值進(jìn)行微調(diào)即可，不過出現(xiàn)這種情況一般很少見，在沒有確定是R1阻值引起的原因時，不要輕易調(diào)R1的阻值.

四是兩個傳感器不在同一溫度下的原因.在實驗過程中，要把兩個傳感器放在盛有變壓器油的玻璃管內(nèi)，如果兩個傳感器放置深度不一致，就會造成兩個傳感器所處的溫度不同，從而出現(xiàn)電壓表顯示值與實驗儀顯示的溫度值不相符的結(jié)果.

4 結(jié)論

針對FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀來表征AD590傳感器的特性以及數(shù)字溫度計設(shè)計實驗，分析研究了實驗原理電路圖、定標(biāo)和數(shù)據(jù)記錄等存在的一些問題及實驗方法的改進(jìn).改進(jìn)之后的實驗，便于操作，實驗結(jié)果更加準(zhǔn)確，實驗效果更好.對于利用其他型號恒溫控制溫度傳感器實驗儀來表征AD590傳感器的特性以及設(shè)計數(shù)字溫度計，本實驗改進(jìn)方法也可以借鑒.