1、集成温度传感器的特性 目录 目录 . - 1 - 摘要： . - 1 - 关键词： . - 1 - 1 引言 . - 1 - 2 温度传感器特性及检测研究实验 . - 1 - 2.1 设计目的 . - 1 - 2.2 设计所需的芯片原理 . - 1 - 2.2.1 AD590 的内部原理： . - 1 - 2.2.2 AD590 的工作原理 . - 4 - 2.3 设计所需的仪器 . - 5 - 2.4 设计步骤 . - 5 - 2.5 实验数据 . - 5 - 2.6 绘图分析 . - 6 - 2.7 数据分析及结论 . - 6 - 3 集成温度传感器的应用的探讨 . - 7 - 4 集成温
2、度传感器两 种输出型比较 . - 7 - 5 设计心得与体会 . - 7 - 参考文献 . - 8 - 致谢 . - 8 - 集成温度传感器的特性 - 1 - 集成温度传感器的特性 摘要： 了解常用的集成温度传感器 AD590 的基本原理，然后，设计电路检测流过 AD590的电流 I 与温度的 T 的线性关系，画出其拟合曲线，分析非线性误差。最后，讨论电流输出型和电压输出型集成温度传感器的优缺点。 关键词： 集成温度传感器 线性关系 拟合曲线 非线性误差 1 引言 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 50 150之间测量
3、，温敏晶体管是利用管子的集电 极电流恒定时，晶体管的基极 发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管 Ub 电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。集成温度传感器有电压型和电流型二种，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。本实验采用的是国产的 AD590。它只需要一种电源（ 4V 30V）。即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为 R2）即可实现电流到电压的转换。它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。 2 温度传 感器特性及检测研究实验 2.1 设计 目的 1.了
4、解常用的集成温度传感器 AD590 的内部原理及基本的工作原理。 2.设计电路检测 AD590 输出的电压 U 与温度的 T 的线性关系。 3.讨论电流输出型和电压输出型集成温度传感器的优缺点。 2.2 设计所需的芯片 原理 2.2.1 AD590 的内部原理： AD590 的内部简化电路如图所示。该传感器由多个晶体管和电阻组成 ,其中晶体管制作在一个半导体单面基片上 ,因此它们的特性、损耗和发射极面积能够相互匹配。整体分析 ,该电路可看作由两个镜象电流源构成。其中 ,晶体管 Q1 和 Q2 组成上镜象电流源 , Q3 和Q4 组成下镜象电流源。如果设上镜象电路的输出是 Q3 的输入 ,则 Q
5、4 的输入是上镜象集成温度传感器的特性 - 2 - 电路的输出。 3b eV4b eV3eIR4eI3cI4cI3Q4Q0I2Q1Q图 1 AD590 简化原理图 设各晶体管为理想晶体管 (即它们的电流放大系数趋于无穷大 ),则知 430 CC III （ 1） 由于镜像电流源 3Q 和 4Q 的作用， 43 cc II ， 343 cee III 。因此 330 22 ec III （ 2） PN 结理想伏安特性表达式为 11 TqVSVVS eIeII T （ 3） 对晶体管而言，上式中的 SI 即为发射极电流； eI 为集电极 -发射极反向饱和电流； V为基极与发射极之间的电压 beV
6、； TV 为温度的电压当量 (即 qT )， q 为电子电荷， 为波尔兹曼常数 , T 为热力学温度。 当温度在 CC 15555 之间时，近似在 VV 05.004.0 之间。硅管约为 V7.0 ，因此 1TbeVVe 。则（ 3）可改写为 Tbe VVSe eII ，即 集成温度传感器的特性 - 3 - SeTbe IIVV ln （ 4） 所以， 333 ln SeTbe IIVV ， 444 ln SeTbe IIVV ，有图知 2334 RIVV ebebe （ 5） 所以 232 RIV eR 34 bebe VV 3344ln seseT IIIIV 43ln ssT IIV （
7、 6） 由于 Is 正比于各晶体管的发射极的面积 S，所以（ 6）可改写为 43ln SSVV TR （ 7） 3S , 4S 分别为晶体管 3Q , 4Q 的发射极面积。若 43 NSS ，则 NVV TR ln2 ， 因此 30 2 eII NRVT ln2 2 NqRT ln2 2 （ 8） 所以 NqRTI ln2 20 （ 9） 由上式知，当电阻 R2 的阻值给定时， I0/T 为一恒定值。适当选取值 R2，可使 I0/T等于 （ K 为热力学温度单位）。 1.0000 /A 集成温度传感器的特性 - 4 - 由上面的分析知， AD590 的输出电流 I0与它所处的热力学温度 T 成
8、线性关系，因此实现了温度到电流强度 的线性变换。 保持电源电压稳定 ,分别使 AD590 处于一系列不同的温度点 Ti ,通过测量 V 得出相应的输出电流 Ii 。对所得的数据点用最小二乘法进行拟合 ,可得经验公式 U (10) 2.2.2 AD590 的工作原理 如图为 AD590 的外形电路，在制造时按 K 氏度标定，即在 0 C 时 ,AD590 的 电流为273uA，温度每增加 1K 氏度，电流随之增加 1uA。 AD590 相当于恒流源，和一电阻串联即将电流信号转换为电压信号，为了精确起见还应有一电位器串入，如果串入 1K电阻，温度每变化 1K，电压变化 1mV，且与温度的变化成正比
9、，即转换当量 1mV/K。当电源电压在 V=4uV 30V 之间时，其电流将随温度的大小而线性变化。由于电源电压的变动亦会影响 AD590 电流输出，但随电源电压的变大，其电压变动所造成的影响将变小，因此建议采用较高电源电压， AD590 对温度 T 的端电流关系式为： T u AuACTCuITI 2.2 7 3)(/1)0()( (11) RTRRTITV 2.2 7 3)()( (12) 可见电压输出 V（ T）与温度 T 呈线性关系 V+ 5 Vab （ c ）R2 1 KR0图 2 AD590 外形电路图 集成温度传感器的特性 - 5 - 2.3 设计所需的 仪器 温度控制器，加热源
10、，温度模块，数显单元，万用表 2.4 设计 步骤 1、将主控箱上总电源关闭，把主控箱中温度检测与控制单元中的恒流加热电源输出与温 度模块中的恒流输入连接起来。 2、将温度模块中的温控 Pt100 与主控箱的 Pt100 输入连接起来。 3、将温度模块中左上角的 AD590 接到 a、 b 上（正端接 a，负端接 b），再将 b、 d连接起来。 4、将主控箱的 +5V 电源接入 a 和地之间。 5、将 d 和地与主控箱的电压表输入端相连（即测量 1K 电阻两端的电压）。 6、开启主电源，将温度控制器的 SV 窗口设定为 50（设置方法见附录 2），以后每隔 5设定一次，即 t=5，读取数显表值，
11、将结果记录在表中。 7、根据表中数据计算 AD590 的非线性误差。 2.5 实验数据 实 验数据记录如下： C50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 mVV325 329 335 340 343 349 354 359 364 370 375 380 325 329 335 340 343 349 354 359 364 370 375 380 其中 RUI , 12R 集成温度传感器的特性 - 6 - 2.6 绘图分析 图 3 集成温度传感器 AD590 特性线 以上数据均在保持电源电压稳定情况下测得 ,整理数据， 对所得的数据点用最小二乘法进行拟合 ,
12、可得经验公式 U ； （ 13） 由 MATLAB 做出拟合曲线，且得出 p = 1.0049 274.0373 rl= 0.0251 即有 0 3 7 3.2740 0 4 9.1 TU （ 14） 且知 AD590 的非线性误差即线性度为 0.0251，线性度越接近 0，数据的线形越好， 值已接近 0，表明各个数据点很好的在一条直线上。 2.7 数据分析及结论 由得出的数据结果可以看出， AD590 相当于一个 274.0370uA 的恒流源，串联一个1k 的电阻将电流信号转换为电压信号，当温度变化 1时，电压变化 1mV，由此可见电压和温度之间有良好的线性关系。 集成温度传感器的特性 -
13、 7 - 3 集成温度 传感器的应用的探讨 集成温度传感器在生产生活中具有非常广泛的应用前景。各种电子产品如空调，冰箱等，工业上的温控应用也很普遍，科研上也有它较广泛的应用。随着集成温度传感器精度的不断改进，其在精度测量与控制方面有着广泛的应用前景。 4 集成温度传感器两种输出型比较 集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。 电流输出型传感器（ AD590)的灵敏度为 1 A/。它的输出电流精确地正比于绝对温度，可以作为精确测温元件。可实现温度到电流源的转换，使用方便，不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，除适用于多 点温度测量外，特别适用于远距离温度测量和控制 AD590 只
14、需要一个电源 (+4V +30V)，即可实现温度到电流源的转换，使用方便。AD590 的校准精度可达 0.5 ，当其在常温区范围内校正后，测量精度可达 0.1 电压输出型的灵敏度一般为 10 mV K ，温度 0时输出为 0，温度 25时输出 2.982 V。电压输出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中易产生电压信号损失和噪声干扰的问题。 5 设计 心得与体会 这学期我们学习了感测技术这门应用性较强的课程。主要应用各种类型的传感器进行实际应用，测试技术 是测量和实验的技术，涉及到测试方法的分类和选择，传感器的选择、标定、安装以达到人们的要求。 对于一个应用强较强的课程或技术，理解它的最好方
15、式就是通过亲自动手做实验来加深对课本上感测技术中涉及到的传感器。因此实验就在整个课程学习过程中显得尤为重要。并且在动手实践之前必须做好充分的准备，即对所涉及到的传感器的原理、工作方式进行深刻的理解。 我们小组做了对集成温度传感器的性质的探索验证 设计 。主要所应用集成温度传 感器的工作中枢就是 AD590。在开始进行实验时，对这个器件的工作原理的资料进行了全面的搜集、整理并对它的 工作原理和在我们实验所需的模块中的工作方式进行了简单的分析。由于我们所做的实验的电路图并不复杂，在电路连接方面还算比较顺利。我们的实验模块中的控制温度变化的加热器件出现了问题，加热的一个金属端脱离了器件影响了传感器对
16、温度的检测，出现的结果就是加热器件的实际温度与模块中的温度监测装置显示的温度出现了严重的偏差。最终的影响就是无法获得所需要的温度数据。好在在老师的指导下我们很快就查出了问题并及时解决了。这件事给我们最大的教训就是在实验集成温度传感器的特性 - 8 - 前除了要准备好实验所涉及的理论知识，更为重要的就是对试验器件的检查，挑出已坏的 ，避免因以损害的器件影响实验和浪费时间。 另外一个问题就是对所获得数据进行系统理论的整理，我们不知道对数据的分析应从那些角度，应用什么样的参数来说明，绘制特性曲线时应采用什么方法。其中最为困难的就是对实验数据或曲线的误差分析，它涉及了误差分析与处理的知识，不知道对于一
17、个曲线应从哪些方面对它进行数学上的分析和修正。 经历了一周左右的时间，我们的课程设计已接近尾声了。我们以小组的形式进行了各个实验的探索验证。以小组的形式锻炼了每个人的合作能力和与团队共同参与交流的能力，这正是当代大学生所欠缺的基本素质；其次就 是锻炼大家的仔细和耐心，实验过程中难免会出现错误和意外状况，这就要求同学们能否在遭遇挫折的时候能否耐下心来仔细的查出电路连接或元器件的错误；再次丰富了大家的视野，给大家提供一个综合多个学科知识的应用的机会。例如本次试验中涉及到的模电、感测技术、误差分析与处理、 MATLAB等知识。这些知识贯穿了实验自始至终到后续处理；最后大家学会从理论过渡到实际，学会应
18、自身所学的知识去解决实际问题，从实际中加深对理论的更深一层的理解。进一步巩固知识，体会到本门课程的实际应用。提高自己动手操作的和分析的能力。 参考文献 1于成波 ,胡新宇 .传感器与自动检测技术 .高等教育出版社 ,2004.2 2THQC-1 型典型传感器特性综合试验仪实验指导书 .2007 年新版 3赵知劲 ,刘顺兰 .数字信号处理实验 .浙江大学出版社 ,2007.3 4杨素行 ,模拟电子技术基础简明教程 .高等教育出版社 ,2006.5 5丁振良 ,误差理论与数据处理 .哈尔滨工业大学出版社 ,2002 致谢 我们小组在实验操作和论文撰写过程中，得到师的悉心指导和热心帮助，在此向老师们深表谢意。
