AD590傳感器特性測量實驗方法的改進研究*

姜貴君 曹學成 王永剛 高 峰 叢曉燕

(山東農業大學信息科學與工程學院 山東 泰安 271018)

AD590集成電路溫度傳感器(以下簡稱AD590傳感器)的特性測量和數字溫度計設計是大學物理熱學實驗和電磁學實驗中的一個基本內容，是理工科物理實驗教學大綱中的一個重要實驗.AD590傳感器的特性測量實驗所用的實驗儀有很多，如FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀、HAD-FD-WTC-D 恒溫控制溫度傳感器實驗儀、FB810型恒溫控制溫度傳感器實驗儀 、DT307-WTC-D 恒溫控制溫度傳感器實驗儀等.本文重點研究了利用FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀來表征AD590傳感器的伏安特性、溫度特性和數字溫度計設計實驗過程中，存在的一些問題及方法的改進.

1 實驗材料與儀器設備

1.1 AD590傳感器

本實驗采用國產的 AD590傳感器，它是一種已經IC化的溫度傳感器，可實現溫度到電流的線性變換.其技術指標是：

(1)工作溫度：-55～150 ℃.

(2)工作電壓：4～30 V，不能小于4 V，小于4 V出現非線性；最大正向電壓+44 V，最大反向電壓-20 V.

(3)輸出電阻：710 MΩ.

(4)輸出電流與溫度關系：在0 ℃時輸出電流約273 μA；輸出電流與溫度成線性關系，每增加1 K(1℃)電流增加1 μA.

1.2 FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀

FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀是一種單片控制的智能式數字恒溫控制儀，是由上海復旦天欣科教儀器有限公司生產，其附件包括燒杯、加熱器、磁性轉子、玻璃管(內放變壓器油和傳感器)、DS18B20溫度傳感器等.其技術指標是：

(1)溫控儀：恒溫控制溫度，室溫～80 ℃；控制恒溫顯示分辨精度，≤±0.1 ℃.

(2)直流穩壓電源：輸出電壓1.5～12 V，連續可調；輸出電阻為20 Ω(為了防止長時間短路內接電阻).

(3)直流數字電壓表(四位半數字毫伏電壓表)：量程為0～19.999V；數字電壓表分辨率>0.001 V(1 mV).

(4)DS18B20溫度傳感器：測量溫度范圍為-55～125 ℃.

(5)加熱器：工作交流電壓10～150 V；工作交流最大電流1.5 A.

2 實驗原理

AD590傳感器的特性測量主要包括伏安特性和溫度特性的測量[1].伏安特性和溫度特性的測量均采用如圖1所示的電路.由于AD590傳感器內阻比較大，電源電壓E基本都加在溫度傳感器的兩端.

圖1 伏安特性和溫度特性的測量電路原理圖

AD590傳感器的溫度特性測量,如圖1所示.先將雙擲開關S與1接通，調節直流穩壓電源使AD590傳感器上電壓U為大于4 V的某一固定值(小于4 V出現非線性，一般設在5～12 V之間)；再將雙擲開關S與2接通，隨著溫度上升測得電阻上的電壓值，由

計算出AD590傳感器輸出電流與溫度t的對應值.AD590傳感器輸出的電流值與溫度滿足的線性關系是

I=kt+I0

其中k=1μA/℃，t表示攝氏溫度，I0≈273μA(0 ℃的電流值).

利用AD590傳感器的溫度特性，可以制成各種用途的溫度計.如圖2所示是它的原理圖，采用非平衡電橋線路，可以制作一臺攝氏溫度計，即AD590傳感器在0 ℃時，電壓顯示值為“0”，而當AD590傳感器處于t℃時，電壓表顯示值為“t”[1,2].

圖2 數字式溫度表原理圖

3 實驗方法的研究及改進

3.1 AD590傳感器特性測量電路圖的改進

關于AD590傳感器的伏安特性和溫度特性測量，如果采用圖1的電路圖進行實驗，通過單刀雙擲開關可測得電阻R和AD590傳感器的兩端電壓.測量結果表明，電壓表的讀數如果是一個為正值，則另一個必然為負值，學生做實驗必然產生疑問[3,4].為此，把電路圖改為圖3所示的電路圖，將單刀雙擲開關改為雙刀雙擲開關，這樣測得的值都為正值.通過電路圖的改進很好地解決了因電壓表的讀數為負值所帶來的不便和困惑.

圖3 改進后的傳感器特性測量電路圖

3.2 用AD590傳感器設計一臺數字溫度計

用AD590傳感器設計一臺數字溫度計的原理圖如圖2所示，下面從3個方面論述實驗方法的改進、分析及研究[5].

(1)電阻R1和R2的取值分析

數字溫度計設計線路中有3個電阻，電阻R1的取值是關鍵，當電阻R1的阻值確定后，電阻R2一般與R1取相同的阻值.根據溫控實驗儀上的電壓表顯示最小值為1 mV、顯示的溫度最小值為0.1 ℃和AD590傳感器每增加1 ℃電流增加1 μA等特點，那么電阻R1和R2的取值可有以下兩種選擇.

1)R1和R2各取1 kΩ

2)R1和R2各取10 kΩ

綜合上述分析，建議學生在做溫度計設計時，R1和R2可根據實驗的精度要求進行選擇.

(2)定標和數據記錄的方法及技巧

定標是用AD590集成電路溫度傳感器設計溫度計的重要一步.在進行定標時，除了確定電阻R1和R2的取值外，還要確定電源輸出電壓值，如果電源輸出電壓值小了，AD590傳感器可能處于非線性工作狀態，那么電源輸出電壓值不能滿足實驗的要求[6,7].本研究表明，如果R1和R2各取1 kΩ，電源輸出電壓需在5 V以上，如果R1和R2各取10 kΩ，電源輸出電壓需在6 V以上.

定標的方法有0 ℃定標和室溫定標.一般要求學生做此實驗采用室溫定標.所謂室溫定標是指將AD590溫度傳感器放置于室溫為ts℃的水中，認為電路A端是室溫ts℃的溫度.調整電阻R3大小，使UAB=tsmV，這就是室溫定標.

下面我們以設計制作分度值標定為1 ℃的攝氏溫度計(0～50 ℃)為例，如果實驗采取室溫定標，R1和R2各取1 kΩ，電源輸出電壓可取5～12 V之間某一電壓值.假設室溫為25.4 ℃(即實驗儀顯示的溫度值)，因為此時電壓表顯示的最小值為1 mV(1 ℃)，電壓表只能顯示出兩位有效數字，那么怎樣定標更準確呢？

調整R3使它的電阻由小逐漸增大，先使電壓表顯示值為25.開始加溫，隨著溫度增高，實驗儀顯示的溫度值增加，這時繼續增加R3的電阻大小，當實驗儀顯示的溫度值為26.0 ℃時，使電壓表顯示值也由小逐漸增大到剛好為26即26.0 mV.此方法可稱為溫度動態定標.這樣定標已完成，并記下R3的電阻值.

定標結束后，關鍵問題是在加熱升溫過程中如何記錄數據.改進的方法是：根據定標的初始溫度和設定的最高溫度，按要求每升高1～3 ℃記錄一組數據，可先把電壓表的數值提前設計出來填入表中(見表1)，然后開始加熱升溫，當電壓表顯示表中數值時，記錄實驗儀顯示的溫度值.例如：準備在28℃時記錄一組數據，當電壓表顯示值剛出現28時，即電壓值為28.0mV，這時如果實驗儀顯示的溫度值是28.1，就記錄28.1 ℃.這種依據電壓表讀數記錄溫度值的方法準確度高，實驗效果好.

表1 AD590傳感器數字溫度計設計數據表

(3)電壓表顯示值與實驗儀顯示的溫度值不相符的原因分析

在加熱升溫過程中，有時出現電壓表顯示值與實驗儀顯示溫度值不相符的現象，也就是兩者顯示的值增加的幅度不同步.其原因主要有4個方面：

一是電源輸出電壓值較小引起的.見前面(2)，這里不再論述.

二是AD590傳感器本身的原因.理論上，AD590傳感器的輸出電流與溫度滿足線性關系I=kt+I0，其中k=1 μA/℃，I0≈273 μA，實際上k值不等于1 μA/℃，對于市售的AD590溫度傳感器，其I0值在273 μA左右，略有差異.當k>1 μA/℃時，根據它的原理圖及實驗可知，R1阻值兩端的電壓及A點的電位增加快，即電壓表顯示的電壓值比實驗儀顯示的溫度值增加得快，反之就慢.

三是R1阻值不等于1 kΩ或10 kΩ的原因.產生這種情況的原因主要是電阻箱或者連線時接觸電阻(接觸不良)引起的誤差.在加熱升溫過程中，如果電壓表顯示值比實驗儀顯示的溫度值逐漸變大，經理論分析和實際實驗驗證，原因在于R1阻值較大；反之較小.只要對R1的阻值進行微調即可，不過出現這種情況一般很少見，在沒有確定是R1阻值引起的原因時，不要輕易調R1的阻值.

四是兩個傳感器不在同一溫度下的原因.在實驗過程中，要把兩個傳感器放在盛有變壓器油的玻璃管內，如果兩個傳感器放置深度不一致，就會造成兩個傳感器所處的溫度不同，從而出現電壓表顯示值與實驗儀顯示的溫度值不相符的結果.

4 結論

針對FD-WTC-D型恒溫控制溫度傳感器實驗儀來表征AD590傳感器的特性以及數字溫度計設計實驗，分析研究了實驗原理電路圖、定標和數據記錄等存在的一些問題及實驗方法的改進.改進之后的實驗，便于操作，實驗結果更加準確，實驗效果更好.對于利用其他型號恒溫控制溫度傳感器實驗儀來表征AD590傳感器的特性以及設計數字溫度計，本實驗改進方法也可以借鑒.