【大学物理实验】 温度传感技术 实验报告

大连理工大学

大 学 物 理 实 验 报 告

院（系） 材料学院 专业 材料物理 班级 姓 名 学号 实验台号

实验时间 年 10 月 27 日，第10周，星期 一 第 5-6 节

实验名称 温度传感技术

教师评语

实验目的与要求：

（1） 了解P-N 结和AD590温度传感器的电路结构及工作原理。 （2） 学会测量P-N 结和AD590温度传感器的温度特性。

实验原理和内容：

1. P-N 结测温元件工作原理及温度特性测试电路

根据半导体物理的理论， 流过晶体管P-N 结的电流I 和其两端的电压V 满足一下指数关系

]1)/[ex p(0-=kT qV I I

式中， q 为电子电量； k 为波尔兹曼常量； T 是结温（用热力学温标）， 因此晶体管P-N 结伏安特性随温度变化如下图所示：

(1) P-N 结伏安特性测试电路。如图2 所示， 图中所示V 1 即为作用在P-N 结两端的电压值，

V 0 值除以取样电阻R f （1KΩ）后得到流经PN 的电流大小。

(2) P-N 结温度特性测试电路。 即P-N 结电压随温度变化的电压跟随器 电路如图3 所示。 当

把一个阻值为R c 的负载电阻与P-N 结串联后， 接至电压值为V c 的外加电压时， P-N 结的电压随温度的变化情况就可由P-N 结伏安特性和与R 有关的负载线的交点对应的电压值所确定。

2. AD590 集成温度传感器工作原理及温度特性测试电路

AD590 是一种输出电流与温度成正比的集成温度传感器， 其内部电路结构复杂， 故此略去 根据参考文献推导， 在电源电压的作用下， 该电路总的工作电流I 0 为

)

(8

ln 3560R R q kT I -=

式中， k 为波尔兹曼常量， q 为电子电量， T 为被测温度（绝对温度值）， 在制作过程中， 精

图2

图3

确控制R 5 和 R 6 的阻值， 可使上式转化为

T K I 00=

式中， K0 为测温灵敏度常数，一般为/1A μ℃

不同温度下 AD590 的伏安特性如图5 所示， 从该图可知， 对于某一确定的温度， 当电源电压大于某一值以后， 可使输出电流几乎不变（或变化极其微小） （1） AD590伏安特性、温度-电流特性测试电路

如图6 所示，在图中将 AD590 置于恒温条件下（如冰点或室温）， 调节电路中“负压调节”旋钮并测出AD590在不同工作电压下的V 0 值（输出电流为f R V I /00=， R f 为取样电阻）， 便可得到元件在这一温度下的伏安特性的实验数据。 同理以工作电压为不变量， 改变工作条件温度并测出相应的V 0， 就可以获得其温度-电流特性的实验数据

（2） 由AD590 做探头的数字温度计工作电路如图7 所示

在图7 中把AD590 首先置于0℃或者室温的恒温条件下， 调节W 2使V 0=0, 然后改变AD590的工作环境温度为100℃ ， 调节W 3使V 0=100mV ， 便完成了测温电路的定标工作 （注意： AD590 探头不可直接放入水中， 否则受电解质影响， 测量结果会不准确）

图5

图6

图7

主要仪器设备：

TS-B II 型温度传感技术实验仪，电磁恒温搅拌器，数字万用表，酒精温度计（0~100℃），烧杯，P-N结探头，AD590探头。

步骤与操作方法：

1.P-N结温度特性测试

1.1P-N结伏安特性测试

1.1.1把“电压输出”调至6V 左右（用万用表20V档监测），并用连线接至左侧的“Vc”

插孔。

1.1.2把短路器插在标有记号R 的一侧，使得1KΩ的反馈电阻接在运放电路输出端V0

与反向输入端“-”之间。同时将双刀开关拨向右侧，使得运放电路构成一个电

流-电压变换电路

1.1.3将画有K 标记的两个黑色接线孔用短线短接

1.1.4将运放电路输出端V0与数字毫伏表（0~200mV）的输入端V i用导线相连接

1.1.5将被测的P-N结接入电路中，注意正负极性对应。PN结的另一个红色插头接数

字万用表电压输入插孔（2V），同时将万用表的COM端接入TS-B型温度传感技

术综合实验仪的GND端

至此PN结的电压变换电路完成，PN结两端的电压电流可分别从V1 读得和V0 除以

1KΩ电阻后获得。在某一恒温条件下，调节W1 记录不同的Vi 即可测得其伏安特性曲

线。

1.2PN结的温度特性测试

将上述电路中，短路器接至L一侧，去掉K两端的短接线，双刀开关拨至左侧，就可将电路变换成测试PN结温度特性的电压跟随器。将确定PN结工作状态的Vc和R的值调节至所需的数值后，可以多次改变温度值而测得其温度特性曲线

2.AD590温度特性测试

断开电源的状态下，用数字万用表电阻档测试该部分运放电路输出V0 与反相输入端“-”之间的电阻值，并调节“量程调节”旋钮，使这一电阻值为1KΩ

开启电源，用数字万用表的20V档测量AD590 两端的电压值是否为本仪器设计的正常值（9V 左右）

确认AD590 两端具有9V 电压之后，把AD590集成温度传感器以红黑对应接入“AD590”插

孔并用数字万用表2V直流电压档接至运放输出V0 和仪器的GND端

完成以上连接后，记下不同温度时数字电压表的读数，即可得到AD590的电流温度特性曲线

数据记录与处理：

在不同温度下测得的PN结的两端电压和取样电阻两端电压，及计算所得的电流值如下：

*U1第一个数据（0.0956）由于明显不正确，故没有在图中出现

在变换温度的条件下，测得PN结两端电压如下：