温度传感器测试及半导体致冷控温实验

温度传感器测试及半导体致冷控温实验温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。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，本实验主要针对美国ANALOG DEVICES公司开发的温度传感器，使学生了解AD590温度传感器的测温原理并掌握其测温方法。

【实验目的】

1.了解温度传感器AD590的性能及应用；

2.掌握TCF708智能温度调节仪的使用。

【实验器材】

温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪、AD590温度传感器、PT100温度传感器。

【实验原理】

1.温度传感器AD590原理

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。V T8和V T11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/℃。V T10的C极电流跟随V T9和V T11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>10Ω，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差（如下图）。

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I 0(uA)与热力学温度T （K ）严格成正比。电流温度系数K I 的表达式为：

8ln 30qR

k T I K I ==

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V T9与V T11的发射极面积之比R=S 9/S 11=8倍。然后再取自然对数值，将k/q=0.0862mV/K,R=538Ω代入上式，即可得到：

K uA T

I K I /000.10

==

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：

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）。

AD590的测温原理是利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器，即温度信号转换为电流信号输出。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。

2. TCF-708智能温度调节仪原理及应用

TCF-708智能温度调节仪是一种高精度的单片PC控温仪表，该仪表的P.I.D自适应整定功能使仪表能适应不同的加热、致冷系统及不同的工作环境，使控温精度保证达到0.5％±1字或0.2％±1字（两档）。但对于要求超高精度的控制显然是不够的。但合理的操作控制能使仪表在全量程范围内达到更高的控温精度（如在-20～120℃范围内达到±0.1℃）。

我们知道控温系统的P.I.D参数调节（比例、积分、微分）是控温精度的关键，但是即使一个专业人员调节一个加热、致冷系统的P.I.D参数也得花费大量的时间，P.I.D参数如失调是达不到满意的控温精度的。TCF－708智能控温仪表就是把专家对系统调节的经验参数存入仪表内存，由仪器根据加热、致冷系统及环境进行自适应整定，经仪表的P.I.D自适应整定，在整定点的控温精度可达±0.1℃。即使这样，对全温度范围，仪表仍无法达到±0.1℃的控温精度，如在一个0～100℃的温度范围内，P.I.D自整定点选为50℃，则仪表的全温度范围控温误差如下图所示：

实线为经60℃时PID自适应整定偏差带

虚线为经“UU”微调后的偏差带

图中可见一个加热、致冷系统如在上述温度范围内50℃时自整定，则在40～60℃时尚能达到±0.1℃的控温精度。低于40℃时，控温出现过冲，高于60℃时，则出现滞后。但由

于该仪表除了P.I.D自适应整定外，另外有一个功能——保温时功率与加热功率之比（即：UU用％表示）可从1％～100％设定。这样改变温度设定点时，根据上述的“过冲”及“滞后”合理的调节UU的值，就能使仪表在全温度范围内控温精度达到满意的±0.1℃。

如加热系统全温度范围30～120℃，60℃自适应整定，UU初始值30％，在<60℃时“UU”逐渐从30％～5％方向下调。在≥60℃“UU”则逐渐从30％方向上调（均需看系统实际控温偏差大小决定），经过“UU”值的每个设定点微调，系统在全温度范围内可达到满意的控温效果（±0.1℃）。实际控温效果见下表：

*仪表的P.I.D整定及“UU”值改变操作可参见TCF708控温仪说明书。

【实验内容】

1.测试AD590输出电流和温度变化的关系。

1）按实验电路接线，将控温传感器（Pt100）和温度传感器AD590分

别插入加热井中。

2）首先在加热状态下进行P.I.D自整定。将仪器温度设置为比环境

温度高至少20℃的温度进行P.I.D自整定，并将自整定开关设置

为开启状态。按下“加热”按钮，开始P.I.D自整定。（仪表的P.I.D