数字温度计的设计实验
【摘要】
AD590是一种被广泛应用于温度测量和温度监控的集成温度传感器。
本实验要求利用AD590设计制作数字温度计。
【关键词】AD590；数字温度计；传感器
一引言
随着传感器技术的飞速发展,
各种各样的温度传感器被广泛的应用于教学、科研和工业生产中。
其中集成温度传感器
AD590,因其线性好、精确度高和易于实现计算机在线测试与数据处理等优点,在常温条件下已占有越来越重要的位置。
它可直接输出与热力学温度成比例的电流信号,在输出端串联一个电阻则转换为电压信号。
除此之外,AD590还具有测温不需要参考点、抗干扰能力强、互换性好等优点【１】。
作者测量了AD590输出电流与温度的关系，同时研究了不同工作电压对输出电流的影响，并用AD590制作了温度范围从室温到70℃的温度计。
二实验原理
1、AD590传感器的工作原理及特性测量。
AD590集成温度传感器由多个参数相同的三极管和电阻组成。
当它两端加上一定工作电压时，输出电流与温度满足如下关系：
I=Bθ+A 【2】 (1) 但是若AD590传感器处于非工作电压状态下时，输出电流与温度呈现非线性的关系。
因此，在测量过程中应保证AD590处于工作电压的范围下。
本实验中，用如图1所示的电路测量AD590传感器温度与输出电流的关系以及不同电压对输出电流的影响
3
2、用AD590制作室温计。
本实验用非平衡电桥法制作数字温度计，电路图如图2。
假定电压表为理想电压表，则图中的电路满足如下的关系：
3212
U U IR R R R =-
+, （2）
式中U 为电压表示数，I 为经过AD590传感器的电流。
把（1）式代入（2）式可得：
33212
U U BR AR R R R θ=+-
+, （3）
为使电压表上读得的mV 数即代表AD590 检测到的摄氏温度，整个电路的转换系数应为1mV/℃。
因此（3）式中的斜率3BR =1mV/℃，即31/C
mv R B ︒=, （4）
同时（3）式中的截距项022
13=+-
R R R U
AR (5）
三 实验过程
AD590温度传感器
1）按图1连接测量电路图，图中电阻取100Ω.
2) 在室温时，测量AD590输出电流随电压的变化，确定工作电压范围。
3) 选择工作电压，测量AD590输出电流随温度的变化关系。
4) 按图2制作温度计，根据测得的电流与温度的关系合理选取参数值，进行第一次温度扫描。
5) 根据第一次扫描结果调整电路中各元件的参数，进行第二次温度扫描。
6）根据第一次扫描结果调整电路中各元件的参数，进行第三次温度扫描
四 实验结果分析与讨论
1)AD590 输出电流随电压的变化 T=12.0℃ R=10000Ω
用excel 作图如下
由图表可知：最小工作电压为2.50V，此时温度为12.0℃
2）AD590输出电流随温度的变化关系
Θ/℃33.8 38.2 42.4 46.4 50.5 55.6 59.1 /0.307 0.312 0.316 0.320 0.324 0.330 0.333 U
V
R
I/μA 307 312 316 320 324 330 333 用excel作图及拟合结果如下
则最终结果为I=1.028θ+272.4
3）制作温度计
由于之前得到的I=1.028θ+272.4
所以取Ω=Ω=
0.973028
.11
3k R 取V U 100=，然后调整在室温的时候对准
开始制作温度计
①为提高可靠性，本次实验从16℃开始取值，每一度取一个数据，用excel 作图及拟合结果如下：
得到拟合结果：484.0967.00+=θθ制, R^2=0.999. 这说明数据的线性性质较好，但是作为温度计的设定却不太好，因为斜率k=0.967，与1相差较远，则在较大的温度范围内误差会变得较大
故在第二次实验中我们需要增大32R R 、的值。
② 适当增大32R R 、的值，取V R R 99532==,U=10V ，同样在室温时对准。
从15℃开始取值，每一度取一个数据，用excel 作图及拟合结果如下：
得到拟合结果：915.0976.00+=θθ制 R^2=0.999 同样数据的线性性质较好，但是斜率仍然偏小，但是比第一次已经有所改善。
故第三次实验时继续增大32R R 、的值。
③ 取V R R 100532==，U=10V ，同样在室温时对准。
从15℃开始取值，每一度取一个数据，用excel 作图及拟合结果如下
得到拟合结果055.0998.0+=θθ制，R^2=1。
即数据具有极强的线性关系，斜率也与1大致相等。
在室温附近的一定范围内，精度要求不太高的情况下，可以认为标定温度就等于实际温度。
在实验中实际获得数据时，我也发现，除极个别数据外，标定温度与实际温度一直是相等的。
至此，经过三次重复实验的逐步逼近，我利用 AD590制作出了一个在室温附近误差比较小的数字温度计。
具体参数是，利用非平衡电桥，取电源电压U=10V ，V R R 100532==，
Ω=362504R ，则可以得到θθ=制
讨论：
㈠ 本实验的目的是利用AD590制作一个数字温度计，实验中容易导致误差的因素有：
电压表和温度计示数精度的不够高以及不够稳定，电阻箱电阻的误差，升温过程的不均匀，我们在实验中要尽可能去减小这些误差。
㈡制作温度计时，最重要的是‘逐步逼近’，也就是说，每一步实验完成后，应该对结果进行适当的分析，为下一步的改进提供参考。
㈢在每一次升温的过程中，应注意容器中水量要适量，太多会导致加热较慢，并且难以完全搅拌均匀，水太少则试管中油不能完全被水浴包裹，会造成温度不均匀，引起测温误差。
五总结
AD590是一种被广泛应用于温度测量和温度监控的集成温度传感器。
在本次实验中，我们测得本实验测得AD590在12℃的最小工作电压为：2.50V，同时测得AD590输出电流随温度的变化关系为I=1.028θ+272.4，并利用AD590制作了测温范围从15℃~75℃的数字温度计。
参考文献
[ 1 ] 孙福玉，曹万苍，AD590及其应用.赤峰学院学报，第27卷第6期，2011.6:29—30.
[ 2 ] 周成钢，施林，陆申龙，AD590集成电路温度传感器特性测量与应用. 大学物理实验，第11卷第2期，1998.6：8-10.。