基于热敏电阻和传感器的测温电路(1)

基于热敏电阻和传感器的测温电路
实验目的：
（1）了解和掌握热敏电阻的测试范围、精确度、灵敏度，对测温用敏感元件反应速度以及环境条件来合理的选择测温的传感器和测量方法。

（2）对温度测量装置的设计方法进行对比，选取准确度和精度较高的装置。

(3)了解传感器的特性，基本物理量的测试，熟悉对电路的基本知识的运用。

实验用具：
热敏电阻，AD590集成温度传感器，数字万用表，恒温水浴，标准电阻，测量放大器，0--100℃分度值为0.1℃标准水银温度计。

实验要求：
设计一套对温度的实时测量和控制的装置，要求有如下指标：
（1）测温范围：10--80℃；
（2）精确度：1.5℃；
（3）灵敏度：0.2℃；
（4）响应时间：<5s；
实验原理：
1、测温传感器的选择
由于该装置是要求实时测量和显示温度值，因而需要将温度这个模拟量转变为电学量输出的传感器较为合适。

从对测温灵敏度及响应时间考虑，所选择的传感器体积要小，温度变化0.2℃时，显示应能分辨。

所以，比较合适的是珠状热敏电阻和新型的集成温度传感器AD590。

2、热敏电阻的阻值随温度变化的特性曲线及线性化
半导体热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，其灵敏度要比电阻式热敏电阻高得多，而且体积可以做的很小，其电阻随温度有如下的数学表达式
R t(T)=R20b（1/T-1/T20） (1) 式中，R t(T)是摄氏温度为t（热力学温度为T）时的电阻值，R20是温度为20℃
时的电阻值，T为热力学温度，T20为t=20℃时的热力学温度，b为半导体材料物理特性有关的常量。

3、AD590集成温度传感器介绍
集成温度传感器AD590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℃之间温度测量，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。

为克服温敏晶体管生产时V b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。

因此，接数字电压表，就便于进行温度的测量和显示。

实验内容及步骤：
一、用热敏电阻设计测温电路
电路原理图:
由（1）式可知，半导体热敏电阻的电阻值随温度的变化是非线性的。

因为用热敏电阻做作传感器测温时，其电阻的变化应纯粹由环境温度的变化所引起，
故工作电流会很低，才不会对热敏电阻本身加热，一般I应小于10-5A。

对于如此小的量，用数字万用表的电流档测量的准确度就不高，这时采用放大电路，把电流的变化量转化为电压的变化量，此时，为便于读数和预测，就必须要求该电路是线性电路。

即，通过线性化网络校正，使输出电压与环境温度的变化基本上呈线性关系。

对于给定的热敏电阻，测定出其电阻随温度变化的特征曲线，对应热敏电阻
的经验公式，确定R20及b。

由（1）式可知，R与（1/T）成正比关系。

在电压一定时，流过电路的电流就与温度T成正比。

故加在R1之间的电压U与温度T成正比。

这里，采用最小二乘法拟合一条线性直线，设拟合直线为
U=k*T +b (2)
此时，若实际测试点有n个，则第i个测量数据与拟合直线上值之间的残差为Δi=U i-( k*T i + b)（3）
即要求∑Δi2为最小
∑Δi2= ∑[U i-( k*T i + b)]2= min（4）
使∑Δi2分别对k及b求一阶偏导，并令其等于零。

解得，
k=(n∑T i U i - ∑T i∑U i)/[n∑T i2– (∑T i)2](5)
b=(∑T i2∑U i - ∑T i∑T i U i)/[n∑T i2– (∑T i)2] (6)
求的k及b后，带入拟合方程U = k*T + b，在坐标下画出U—T的关系图，将实际的U—T的关系图与其对比，计算最大误差，力求满足实验要求。

二、用集成温度传感器AD590设计测温电路
电路原理图：
对于AD590，因为流过的电流与热力学温度成正比，故电路不需要线性化。

此时，把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2mV。

随后，使AD590分别处于25℃,50℃,75℃，测量出相应的电压，然后，根据这些数据，画出V0—T的关系图。

求出直线的斜率，即为灵敏度。

最后，将实际值和理论值对比，计算误差。

三、对比两种测温电路及实验效果，对测量数据分析，综合各方面，寻找一套合适的测温装置。

实验改进：
对于热敏电阻设计的电路，在电流比较小的情况下，运用三极管将电流放大，也可达到电流测量的目的；在电路线性方面，也可以串联一温度系数很小的电阻
R x,达到线性化的目的。