数字式温度计的设计和制作

六、实验误差分析
1.AD590数字温度计和 NTC 数字体温计的设计都是基于其温度特性曲线的，因此若是 前期测量得到的 AD590和 NTC 热敏电阻温度特性曲线数据准确的话，将给后面的时间带来 很大的影响。而温度传感器外面包裹了一层塑料皮，并且二者与铜管距离不同，因此我们得 到的温度传感器示数其实并不与 AD590及 NTC 所处的环境温度相一致。
► NTC 是 Negative Temperature Coefficient 的缩写。NTC 热敏电阻即负温度系数热敏电阻， 以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物都 具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物 材料的载流子（电子和空穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增 加，所以电阻值降低。
35.0 36.1 37.0 38.3 39.5 40.8 41.8 42.7
34.96 36.08 37.08 38.31 39.56 40.85 41.90 42.94
表5
-0.04 -0.02 0.08 0.01 0.06 0.05 0.10 0.16
绘制 U-θ曲线：
44
42
40
U/mV
38
五、实验数据和现象记录
1.测量 AD590 集成温度传感器的温度特性
► 确定 AD590 工作电压的范围 按照图 3 连接电路，电阻箱取 5,000Ω。改变电源电压值，记录数据如下：
U0(V) 1.53 3.02 3.51 4.00 4.51 6.00 7.51 9.08 10.52 12.05 13.51 15.00 16.50 18.00 19.52
U
=
BR1θ
+
AR1
−
R2ε R2 + R3
其中ε为电源电压，U 单位为μV。
令
⎪⎧ ⎨ ⎪⎩
BR1 = 1000
AR1
−
R2ε R2 + R3
=
0
，即可使电压表毫伏挡示数为
AD590
所处环境的温度。根据设
计原理可知，R1 决定 U-θ曲线的斜率，R2、R3 决定 U、θ的差值。
2.NTC 热敏电阻基本特性
3377
0.02577
39.8
3235
0.02513
40.7
3148
0.02457
41.8
2992
0.02392
42.6
2933
0.02347
表4
- 10 -
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088） 绘制 Rx-1/T 曲线：
相关系数 R 为0.99857，较好。
θ-1/℃-1
数据图5 NTC 温度特性
-6-
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
绘制 I-U1图：
0.30
0.25
0.20
I/mA
0.15
0.10
0.05
0.00
0
2
4
6
8
10
12
14
16
U1/Vபைடு நூலகம்
数据图1 AD590 I-U 图
由图可知，AD590的工作电压范围为4~18V，对应电源电压范围为6~20V。
⑵研究 AD590 电流与温度的关系 电路不变，取定电源电压值为 11.47V，电阻箱阻值 R 为 5,000Ω。 进行升温，记录 T 和 U2，计算 I 值。
► 对 AD590数字温度计进行检验 通过升温，记录不同温度下电压表的示数和温度传感器的示数，对二者进行比较。
θ（℃） 24.1 29.8 34.6 39.3 44.3 48.9 53.4 57.7 62.1 66.0 72.3 77.7
U（mV） 23.98 29.74 34.43 39.14 44.24 48.95 53.27 57.75 62.14 66.03 72.35 77.60
36
34
34
36
38
40
42
44
θ/℃
数据图6 NTC 数字体温计 U-θ关系
R=0.99986，线性程度好。U=1.02096θ-0.74857。
- 12 -
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088） 绘制（U-θ）-θ曲线：
θ/℃
数据图7 NTC 数字体温计精确度
在34~42℃范围内，(U-θ)始终在0.1℃之内，符合实验要求。NTC 数字体温计制作成功。
二、实验原理
1.AD590 集成温度传感器的基本特性
► AD590 是一个电流型的集成温度传感器（详见实验原理补充），其温度测量灵敏度高且 线性好，测量中不需要设置恒定的稳定参考点。
⑴测温范围：-55~+150℃. ⑵电源电压范围：4~30V. ⑶输出电阻：710MΩ. ⑷输出为电流变化，温度变化 1℃，引起 1μA 的电流变化. ► 有 AD590 的温度特性可知，其输出电流与温度呈线性关系：
θ（℃） 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0
U2(V) 1.4833 1.5177 1.5449 1.5716 1.5971 1.6227 1.6477 1.6730 1.6973 1.7248
I(mA) 0.29666 0.30354 0.30898 0.31432 0.31942 0.32454 0.32954 0.33460 0.33946 0.34496
U-θ -0.12 -0.06 -0.17 -0.16 -0.06 0.05 -0.13 0.05 0.04 0.03 0.05 -0.10
表3
绘制 U-θ曲线：
80
70
60
U/mV
50
40
30
20
20
30
40
50
60
70
80
θ /℃
数据图3 AD590数字温度计 U-θ关系
R=0.99992，线性程度极高。U=0.9967θ-0.40725。
⑴热敏电阻的零功率电阻值：
B( 1 − 1 )
R = R0e T T0
R：周围温度 T（K）时的电阻值（K：绝对温度） R0：周围温度 T0（K）时的电阻值 B：热敏电阻的 B 常数
⑵B 常数
1
R
B=
ln
1/ T −1/ T0 R0
B 值也是温度的函数，因此热敏电阻零功率电阻值的公式为经验公式，仅在温度变化范
I = Bθ + A
其中 I（单位为μA）为输出电流，θ为温度，A 为 0℃时的输出电流，B 值约为 1。 ► 根据其温度特性，采用非平衡电桥电路，可以制作一台数字温度计。
图 1 AD590 数字温度计设计电路 -2-
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
由 I = Bθ + A ，可得：
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
数字式温度计的设计和制作
时间：周一下 姓名：何安珣 学号：09300190088
-1-
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
一、实验目的
1.研究 AD590 集成电路温度传感器和 NTC 热敏电阻的温度特性； 2.利用 AD590 制作量程为 0~100℃范围的数字式温度计；利用 NTC 热敏电阻制作量程为 35~42℃范围的数字体温计。
围有限时才具有一定的精度。在本次实验中，35~42℃温度范围小，B 为常数。
B( 1 − 1 )
► 由于体温计的温度变化范围较小， 可对 R = R0e T T0 式右边进行 Taylor 展开：
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数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
R
≈
R0 [1 +
B( 1 T
−
1 T0
U2(V) 178.32e(-3)
0.8841 1.0967 1.2948 1.4643 1.4655 1.4668 1.4681 1.4693 1.4703 1.4713 1.4721 1.4728 1.4736 1.4743
表1
U1=U0-U2(V) 1.51 2.14 2.41 2.71 3.05 4.53 6.04 7.61 9.05 10.58 12.04 13.53 15.03 16.53 18.05
三、实验仪器
AD590、NTC 热敏电阻（周一 3 号） FD-WTC-D 型恒温控制温度传感器试验仪 2 号 ZX21 型直流电阻器 3 只 编号：090342（R1）、090915（R2）、090329（R3） PZ114 型数字式电压表 编号：D20016459 直流电源（0~20V）、开关、VC890D 型万用电表
加热，观察记录电压表示数和温度传感器示数的变化情况，改变 R1，使其变化速率一致， 再调节 R3，使电压表示数和温度传感器示数相同。
反复调节后，各元件参数值为： ε：（9.98±0.01）V R1：962.0Ω R2：1000Ω R3：36520.0Ω
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数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
数据图2 AD590温度特性
其相关系数 R 为0.99958。
I 以μA 为单位时，有：
I=1.04θ+277.27
当ε取10.0V 时，计算可得 R1=961.5Ω，R2取1000Ω，R3=36510.1Ω
► 用 AD590制作量程为0~100℃数字温度计 照图1连接电路，依计算所得数值调节各元件。 未进行加热时，发现当 R1取理论值，电压表示数与实际温度相差约1℃。对 AD590进行
► 按照图4连接电路，电源电压值取2.80V，R1和 R2均取10,000Ω。调节 R3使电压表示数为 0，记录温度 T 和 R3的值如下：
θ（℃） R3（Ω） θ-1（℃-1）
34.9
3887
0.02865
36.0
3777
0.02778
36.8
3656
0.02717
37.8
3502
0.02646
38.8
)]
=
k
1 T
+
b
在一定温度范围内，R 与 1/T 呈线性关系。
► 采用串联电路分压法制作数字体温计
图 2 NTC 数字体温计设计电路
令
⎪⎪⎧U ⎨ ⎪
= θ
R1 =
R1ε
+ R2 + K
Rx
，取定ε值为
1000mV，通过对应系数法可求得
R1
和
R2，此时
⎪⎩
Rx − b
电压表毫伏挡示数即为 NTC 热敏电阻所处环境的温度。
四、实验内容及步骤：
1.测量 AD590 集成温度传感器的温度特性
► 确定 AD590 工作电压的范围
-4-
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
图 3 AD590 工作电压测量电路
如上图连接电路，记录电源电压值 U0，电阻箱两端电压 U2。 记 AD590 两端电压值为 U1（=U0-U2），拟合 U2-U1 曲线，确定工作电压范围。 ► 研究 AD590 电流与温度的关系 取定电源电压值和电阻箱阻值 R，仍使用图 3 电路，进行升温，记录 T 和 U2。 此时 I=U2/R，拟合 I-T 曲线。 ► 用 AD590 制作量程为 0~100℃数字温度计，并验证其精度。
-9-
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088） 绘制（U-θ）-θ曲线：
θ /℃
数据图4 AD590数字温度计精确度
在20~80℃变化范围内，U-θ始终在0.2℃之内，符合实验要求。AD590数字温度计制作 成功。
2.NTC 热敏电阻
► 使用万用电表对 NTC 热敏电阻阻值进行粗测，为7.72kΩ。
2.NTC 热敏电阻
► 在恒定电流的情况下，研究 NTC 热敏电阻的零功率阻值与温度的关系。
图4 NTC 温度特性测量电路
按图4连接电路，ε取定值，R1和 R2取值相等。通过调节 R3是电压表示数为0，此时 R3
-5-
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088） 的值即为 NTC 的电阻值。记录下温度 T 和 R3的值，绘制 Rx-1/T 曲线。 ► 用 NTC 热敏电阻制作量程为35℃～42℃范围的数字体温计。
同步变化。 此时电路中各元件参数为： ε：1V R1：190.0Ω R2：1394.4Ω
► 对 NTC 热敏电阻数字体温计进行检验 通过升温，记录不同温度下电压表的示数和温度传感器的示数，对二者进行比较。
θ（℃） U（mV）
34.1
34.12
U-θ 0.02
- 11 -
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
-7-
数字式温度计的设计和制作 何安珣（09300190088）
70.0
1.7506
0.35012
75.0
1.7756
0.35512
80.0
1.7999
0.35998
表2
绘制 I-U2图：
0.36
0.35
0.34
0.33
I/mA
0.32
0.31
0.30
0.29
20
30
40
50
60
70
80
θ/℃ /
由上图可知：
Rx
= 1.9034×105
1 θ
− 1.5400 ×103
当ε取1V 时，R1=190.3Ω，R2=1394.4Ω。
► 用 NTC 热敏电阻制作量程为35℃～42℃范围的数字体温计 如图2连接电路，依上述计算所得数据调节元件参数。 对 NTC 热敏电阻进行升温，调节 R1、R2使 U 与θ变化率相等。反复调节直至 U 与θ