温度传感器测试及半导体致冷控温实验

温度传感器测试及半导体致冷控温实验温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。对温度传感器性能的了解及测试是大学物理实验的一项必备内容，本实验主要针对美国ANALOGDEVICE公司开发的温度传感器,握其测温方法。【实验目的】了解温度传感器AD590的性能及应用；掌握TCF708智能温度调节仪的使用。【实验器材】温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪、【实验原理】1.温度传感器AD590原理AD590电流型集成电路温度传感器是将艺制作在同一芯片上的具有测温功能的器件。使学生了解AD590温度传感器的测温原理并掌AD590温度传感器、PT100温度传感器。PN结（温度传感器）与处理电路利用集成化工它具有精度高、动态电阻大、响应速度快、线性好、使用方便等特点。芯片中R1,R2是采用激光校正的电阻。在298.15K（+25C）下，输出电流为298.15UA。Vt8和Vm产生与热力学温度（K）成正比的电压信号，再通过R5,R6把电压信号转换成电流信号，为了保证良好的温度特性，R5,R6采用激光校准的SiCr薄膜电路，其温度系数低至（-30-50）*10-6/C。VT10的C极电流跟随Vt9和Vth的C极电流的变化，使总电流达到额定值。R5,R6同样在298.15K（+25C）的温度标准下校正。AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗10Q，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差（如下图）。AD590的工作电压为+4+30V,测温范围是-55150C。对应于热力学温度T,每变化1K,输出电流变化1uA。其输出电流lo（uA）与热力学温度T（K）严格成正比。电流温度系数K的表达式为：KiT0谕8式中k,q分别为玻尔兹曼常数和电子电量，R是内部集成的电阻。Ln8表示内部W与Vm的发射极面积之比R=S9/Sii=8倍。然后再取自然对数值,将k/q=0.0862mV/K,R=538Q代入上式,15025即可得到:I0Ki1.000uA/K因此，输出电流Io的微安数就代表着被测温度的热力学温度值（K）oAD590的电流-温度（I-T）特性曲线如下图所示：AD590经激光调整其准确度在整个测温范围内w0.5C（AD590准确度与其级别有关）,线性极好。利用AD590的上述特性，在最简单的应用中，用一个电源，一个电阻，一个电压表即可构成温度的测量。由于AD590以热力学温度K定标，实际应用中，应该进行C的转换。即实际应用中，为了与显示温度的仪表一致（如电压表），必须进行技术调零处理（即0C时其输出为273.15UA,需进行技术调零处理，使其输出为0V）。AD590的测温原理是利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，即温度信号转换为电流信号输出。AD590的工作电压为+4+30V,测温范围是-55150C。对应于热力学温度T,每变化1K,输出电流变化1uA。其输出电流I0（uA）与热力学温度T（K）严格成正比。2. TCF-708智能温度调节仪原理及应用TCF-708智能温度调节仪是一种高精度的单片PC控温仪表，该仪表的P.I.D自适应整定功能使仪表能适应不同的加热、致冷系统及不同的工作环境，使控温精度保证达到0.5%1字或0.2%1字（两档）。但对于要求超高精度的控制显然是不够的。但合理的操作控制能使仪表在全量程范围内达到更高的控温精度（如在-20120C范围内达到土0.1C）。我们知道控温系统的P.I.D参数调节（比例、积分、微分）是控温精度的关键，但是即使一个专业人员调节一个加热、致冷系统的P.I.D参数也得花费大量的时间，P.I.D参数如失调是达不到满意的控温精度的。TCF-708智能控温仪表就是把专家对系统调节的经验参数存入仪表内存，由仪器根据加热、致冷系统及环境进行自适应整定，经仪表的P.I.D自适应整定，在整定点的控温精度可达土0.1C。即使这样，对全温度范围，仪表仍无法达到土0.1C的控温精度，如在一个0100C的温度范围内，P.I.D自整定点选为50C，则仪表的全温度范围控温误差如下图所示：图中可见一个加热、致冷系统如在上述温度范围内50C时自整定，则在4060C时尚能达到土0.1C的控温精度。低于40C时，控温出现过冲，高于60C时，则出现滞后。但由于该仪表除了P.I.D自适应整定外，另外有一个功能一一保温时功率与加热功率之比（即：22用表示）可从1%100%设定。这样改变温度设定点时，根据上述的“过冲”及“滞后”合理的调节UU的值，就能使仪表在全温度范围内控温精度达到满意的土0.1C。如加热系统全温度范围30120C,60C自适应整定，UU初始值30%,在60C时“UI”逐渐从30%5%方向下调。在60C“UU则逐渐从30%方向上调（均需看系统实际控温偏差大小决定），经过“UU值的每个设定点微调，系统在全温度范围内可达到满意的控温效果（土0.1C）。实际控温效果见下表：实际控温效果及测试记录定标（Pt100）“umt/c不确定度/c1100.1371050.1361000.135950.134900.133850.133800.132750.131700.131650.131600.130550.130500.129450.128400.128350.127300.126*仪表的P.I.D整定及“UU值改变操作可参见TCF708控温仪说明书。1. 【实验内容】测试AD590输出电流和温度变化的关系。1）按实验电路接线，将控温传感器（Pt100）和温度传感器AD590分别插入加热井中。2）首先在加热状态下进行P.I.D自整定。将仪器温度设置为比环境温度高至少20C的温度进行P.I.D自整定，并将自整定开关设置为开启状态。按下“加热”按钮，开始P.I.D自整定。（仪表的P.I.D自整定详细操作可参见TCF708控温仪说明书，自整定调节大约需要45分钟左右，请耐心等待）（注意：P.I.D自整定部分省略。）3）P.I.D自整定结束后，将温度设置从环境温度起加热，每隔10C设置一次，每次待温度稳定2min后，记录一次输出电压，直到100C为止。同时将输出电压从+510V改变观察输出电压是否有变化。（设置加热温度时还可调节UU值，使仪表在全温度范围内控温精度达到满意的土0.1C,UU值调节详细操作可参见TCF708控温仪说明书）4）加热实验结束后，先将仪器调节成致冷模式，方可进行致冷实验。调节方法：按TCF708控温仪说明书的操作流程图进入第三设定区，连续按“SET”键（每次0.5秒）至主控输出方式（cd）,按上、下三角键设置所需输出方式。加热时请调节至“01”即固态继电器输出，正向控制；致冷时请调节至“11”即固态继电器输出，反向控制。5）其次在致冷状态下进行P.I.D自整定。将仪器温度设置为比环境温度低至少15C的温度进行P.I.D自整定，并将自整定开关设置为开启状态。按下“致冷”按钮，开始P.I.D自整定。6）P.I.D自整定结束后，将温度设置从环境温度起致冷，每隔5C设置一次，每次待温度稳定2min后，记录一次输出电压，一直到-15C止。同时将输出电压从+5+10V改变，观察输出电压是否有变化。表1AD590输出电流与温度t（C）关系t/C-15.0-10.0-5.00.010.020.030.0Vr/1kQ/uA260.6265.8270.8275.6285.8296.7305.6t/C40.050.060.070.080.090.0100.0Vr/1kQ/uA315.5325.1335.6345.2354.8364.9374.7用最小二乘法进行直线拟合得:B=0.990uA/K;A=275.8uAr=0.999*由于控温系统P.I.D只对一个系统自适应调节有效，加热、致冷是两个系统要分别调节，自适应调节大约需要45分钟左右，故建议实验时用两台仪器，一台做加热实验（室温120C）,一台做致冷实验（室温-15C）。两组（加热实验、致冷实验）分别做好实验后将被测传感器（AD590）互换继续做实验。这样两个传感器将分别得到全温度范围的测试数据(-15C120C)。测试AD590在实际温度测量中的应用特性，掌握AD590在摄氏温度应用技术调零。实验电路如右图所示:按实验电路接线，AD590在一个非平衡电桥中由可变电阻RX改变电桥的输出电压，调节“平衡调零”，使电桥的输出电压在0C时为零，并观察输出电压随温度变化而变化。（加热和致冷操作步骤同实验1。）【数据处理】运用作图法给出AD590输出电流与温度变化的关系，求出灵敏度、斜率及相关系数，计算实验误差。（输出电流lo=Vr/1KQ,实验电路如实验1）。1. 【预习思考题】什么是温度传感器？2. 桥式电路有何优点？【分析讨论题】AD590温度传感器测温与传统的温度计，如水银温度计、热电偶温度计以及热敏电阻温度计有何异同？【注意事项】：由于加热、致冷是两个不同的系统且共用一个控温系统，因此在加热或致冷时必须分别进行自适应整定，不然达不到理想控温效果。特别要注意的是由于加热、致冷共用一个智能控温系统，加热和致冷的控制指令不同，改变加热或致冷时必须改变工作指令仪器才能正常控温。1. 每次做完实验后（待致冷井恢复环境温度后），请用纸巾将致冷井中的冷凝水擦拭干净。2. 仪器装有温度保护装置，最高温度不会超过120C。