温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪说明书

温度传感器测试及半导体致冷控温实验 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 但大 多数实验仪器只具备做环境温度以上的实验 FD TM 温度传感器测试及半 导体致冷控温实验仪具备了半导体致冷功能使之能做环境温度以下的实验 本仪器主要测试温度传感器 AD590 的性能 可根据要求增加多种温度传感器 的测试 及了解半导体致冷堆的性能 一 仪器性能 1 加热 环境温度 120 2 致冷 环境温度 环境温度 45 10 15 3 控温精度 0 1 4 测温精度 3 AD590 电流型集成电路温度传感器是将 PN 结 温度传感器 与处理电路 利用集成化工艺制作在同一芯片上的具有测温功能的器件 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 25 下 输出电 流为 298 15uA VT8和 VT11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 VT10的 C 极电流跟随 VT9和 VT11的 C 极电流的变化 使总电流达到额定值 R5 R6 同样在 298 15K 25 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 10M 能大大减小因电源电压变动而产生的测温误 差 如下图 1 AD590 的工作电压为 4 30V 测温范围是 55 150 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 电流温度系数 KI的表达式为 8ln 3 0 qR k T I KI 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 VT9与 VT11的发射极面积之比 R S9 S11 8 倍 然后再取自然对数值 将 k q 0 0862mV K R 538 代入上式 即可得到 KuA T I KI 000 1 0 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 AD590 的电流 温度 I T 特性曲线如下图所示 2 AD590 经激光调整其准确度在整个测温范围内 0 5 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 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 0 时其输出为 273 15uA 需进行技术调零处理 使其输出为 0V 三 实验内容 1 AD590 输出电流与温度 t 满足如下关系 I B t 25 00 A 式中 I 为 AD590 输出电流 单位为 uA t 为实际温度 B 为温度系数 1uA K A 为 25 00 时的输出为 298 15uA 因 AD590 是在 25 00 定标的 如实际温度为 25 00 时 即 t 25 00 25 00 25 00 0 I 1uA 0 298 15uA 298 15uA 如实际温度为 0 时 即 t 25 00 0 25 00 25 00 I 1uA 25 00 298 15uA 273 15uA 按要求接线 将仪器温度设置为 25 25 位置进行 P I D 自适应调整 3 保证达到 25 0 1 的控温精度 将控温传感器 Pt100 插入一干井炉 孔中 将温度传感器 AD590 放入另一干井炉孔中 同时将仪器提供的 1K 电阻 0 1 25 插入另一孔升温至 25 温度恒定后测试 1K 电阻 上的电压是否为 0 29815V 实验电路如下图所示 A AD590 1K Io4 1 2 0 2V 0 5 数字电压表 上述实验 环境温度低于 25 时用加热 环境温度高于 25 时用致冷 2 测试 AD590 输出电流与温度变化的关系 并求出灵敏度 斜率及相关系数 输出电流 Io Vr 1K 实验电路如实验1 按要求接线 将温度设置从最低环境温度起 加热 每隔 10 设置一次 每次待温度稳定 2min 后 测试一次输出电压 一直到 100 止 同时将输出 电压从 5 10V 改变观察输出电压是否有变化 按要求接线 将温度设置从最低环境温度起 致冷 每隔 5 设置一次 每次待温度稳定 2min 后 测试一次输出电压 一直到 20 止 同时将输出 电压从 5 10V 改变观察输出电压是否有变化 4 t 15 10 5 010 20 30 40 50 60 70 80 90100 Vr 1k uA 用最小二乘法进行直线拟合得 B uA K A uA r 3 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 实验电路如下图所示 5V AD590 RX 10K 1K1K 0 5 0 5 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使之在 0 时 输出电压为零 输出电压随温度变化 实验内容同实验 2 5 3 半导体致冷堆的降温实验 半导体致冷堆是利用半导体帕尔帖 Peltier 原理的热电模块 模块在一 定的电流下 一端面加热 一端面致冷 当电流反向时冷热面互换