三极管温度传感器测量系统设计Word文件下载.docx

1、1.计算机、电路板2.LabVIEW虚拟仪器软件系统以及相应的脚本3.DRLAB快速可重组综合实验台4.开放式传感器实验箱5.三极管温度传感器6.运算放大器OP077.20K、100K电阻8.聚乙烯电容104uF9.跳线若干四、总体设计 （一）设计方案1.总体方案：根据三极晶体管的特性可知，在不同的温度（T）条件下，硅三极管的基极、发射极之间的电压与集电极电流Ic有一定的函数关系，即一定的温度变化可以引起相应的电信号变化。我们设计与之相应的电路即可将温度的变化转化为电压的变化，从而制成温度传感器。2.传感器的选择：三极管温度传感器。这种温度传感器的测量范围为-50至150，有较好的线性度，尺寸

2、小、响应快、灵敏度高热时间常数小的特点，加之成本较低，三极管温度传感器的应用范围很广。3.硬件实现：利用三极管中PN结的温度特性，当电流Ic恒定时，基极与发射极之间的电压与温度T呈线性关系，即可通过电压的变化来反映温度的变化，这种传感器有较好的线性度、响应快、灵敏度高的特点。4.软件实现：以计算机硬件系统作依托，利用虚拟仪器强大的数据采集处理能力，虚拟仪器是一种将仪器装入计算机的应用程序，以计算机硬件系统为依托，实现各种仪器功能。可以充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，用户可根据自己的需要定义和制造相关的各种仪器。LabVIEW软件是一种图形化的编程软件，广泛应用于工业界等场所，被视为

3、一种标准的数据采集和仪器控制软件。它具有强大的编程和数据处理功能，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动形象，它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的专业术语、图形和概念，因此，LabVIEW软件是一个面向最终用户的工具，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。5.通过自行编写的脚本和开放式实验平台来实现三极管温度传感器的虚拟数据采集与测量。6.设计整体验证：在计算机硬件系统和开放式实验平台上，通过LabVIEW软件与硬件系统的结合，测试验证设计和数据的正确性，并得出相应的实验结论。（二）基本原理图1-1是三极管温度传感器

4、的结构原理图。由晶体管的特性分析知道，硅三极管的Vbe电压与绝对温度T和集电极电流Ic之间由如下关系：VbeEg（）ln（）式中：Eg为PN结的禁带宽度； 为与基极偏压有关的常数；为由基区少数载流子的温度特性决定的常数；Q 为单位电荷；k为波耳兹曼常数。因此，当Ic恒定时，在温度不太高的情况下，Vbe与温度T成线性关系。图1-1 三极管温度传感器设计原理图五、具体步骤（一）硬件实现1.准备相应的硬件设备：计算机、电路板、三极管温度传感器、开放式传感器实验箱、DRLAB快速可重组综合实验台、运算放大器OP07、20K和100K电阻、聚乙烯电容104uF、跳线若干。2.根据三极管温度传感器的原理图

5、，在传感器实验电路板上搭建好电路，仔细检查接线，最后接入热源。 3.连接实验箱电源线：将实验箱的三芯电源线接插到综合实验台上。4.连接实验箱信号线：将信号线的一端连接到扩展模块某一通道（本实验接到通道1），另一端连接到电路板的输出端上，OUT1或OUT2均可。5.如图1-2所示，在传感器实验电路板上搭建好实验电路，仔细检查实验连线，最后接入热源。图1-2 搭建好的实验电路6.DRLAB快速可重组综合实验台上的八通道信号选择芯片，如图1-3所示。图1-3 八通道信号选择芯片7.DRLAB快速可重组综合实验台上的扩展模块如图1-4所示。图1-4 扩展模块8.模块选择如图1-5所示.图1-5 模块通

6、道选择（二）软件实现1.在桌面上运行LabVIEW主程序图标，或者在“开始”菜单栏中运行快捷方方式。LabVIEW工作平面，如图2-1所示。图2-1 LabVIEW工作平面主界面2.点击选项，或者点击“文件新建VI”，如图2-2所示。图2-2 新建VI3.弹出前面板和程序图，如图2-3、2-4所示。图2-3 前面板图2-4 程序框图 4.针对多通道信号采集系统的设计，需要两个数值输入控件分别控制采集芯片的采样频率和采样长度；需要一个布尔开关控制界面脚本的运行于与停止；需要一个波形图显示控件来实现显示信号波形；找到需要的所有控件，将其置于前面板上，右键点击前面板，弹出控件选项，点击“数值控件数值

7、输入”控件，如图2-5所示。图2-5 选择数值输入控件5.选择“数值输入“控件后，显示界面如图2-6所示。图2-6 添加“数值输入”后的界面显示（此“数值输入”控件用于采样频率的数值选择，可以根据实验所需的数值进行调节。6.重复步骤5，再添加一个“数值输入“控件，界面如图2-7所示。图2-7 添加两个“数值控件”后的界面显示（此“数值输入“控件用于采样长度的数值选择，同样根据实验所需的数值进行调节。7.将上述两个“数值输入”控件的标签分别改为相应的控制内容，以方便系统设计与原理程序框图的连接，双击“数值” 和“数值2”，分别将其对应改为“采样频率”和“采样长度”，如图2-8所示。图2-8 更改

8、标签后的界面显示（两按钮控件用于对“采样频率”和“采样长度”的调节。8.点击前面板，弹出控件选项，点击“按钮与开关控件文本按钮”，如图2-9所示图2-9 点击“控件选项”添加“文本控件”（用于添加文本开关按钮）9.选择文本开关按钮后，将其放在适合的位置，如图2-10所示图2-10 选择“文本按钮”，添加后的显示界面10.点击右键，弹出控件选项，点击“图形控件”点击“波形图”，如图2-11所示。图2-11 波形图的选择（添加波形显示图）11.选择波形图后，将其放在合适的位置，界面如图2-12所示。图2-12 放置波形图界面12.点击波形图上的标签，将其修改为“正弦”，如图2-13所示。图2-13

9、 修改标签后的界面显示13.点击右键，在控件中选择数组，如图2-14所示。图2-14 数组控件界面显示（添加数组按钮）14.选择后将其放置在波形图显示界面的下方，如图2-15所示。图2-15 添加数组控件后的界面显示15.右键点击控件，选择“Visible Items-Index Dsipiay”，点击左键，操作后界面如图2-16所示。图2-16 “Visible Items-Index Dsipiay”操作图16.选择后的界面图如图2-17所示。图2-17 “Visible Items-Index Dsipiay”操作后的界面图17.点击右键，在控件选择中选择“布尔按钮”控件，如图2-18所

10、示。图2-18 选择“布尔按钮”控件（添加布尔按钮控件）18.将选择的“布尔按钮”控件放入到“数组”控件中，如图2-19所示。图2-19 添加“布尔按钮”后的界面显示19.点击“数组”控件，将其拉伸到所需的按钮数目，如图2-20所示。图2-20 拉伸数组控件后的界面显示20.修改标签，标明按钮名称，如图2-21所示。图2-21 修改标签后的界面显示21.在波形图的上方标明系统题目以及修改波形图的变量名称，如图2-22所示。图2-22 标明题目界面图22.点击“WindowsShow Block Diagram”，进入流程图，如图2-23所示。图2-23 流程图路径界面23.进入流程图，如图2-

11、24所示。图2-24 流程图界面显示24.右击程序框图，弹出函数选项，点击“选择VI”如图2-25所示。图2-25 选择子VI界面图25.在对话框中选择“getUSBWave111”，如图2-26所示。图2-26 选择虚拟采集芯片26.点击确定，将虚拟程序采集仪放置在流程图上，如图2-27所示。图2-27 放置虚拟采集仪27.右击程序框图，选择“ExpressMerge Signal.”，如图2-28所示。图2-28 添加“Merge Signal”界面图28.添加“Merge Signal”后，并将其拉伸至所需的数目，如图2-29所示。图2-29添加“Merge Signal”后的界面图29

12、.右击流程图，选择“BooleanTrue Const”，如图2-30所示。图2-30 “BooleanTrue Const”界面图30.点击左键，添加“BooleanTrue Const”，如图2-31所示。图2-31添加“BooleanTrue Const”后的界面图31.点击右键，选择“ExpressTo DDT”，如图2-32所示。图2-32 选择“To DDT”界面图32.添加“To DDT”时的选择界面，选择“Boolean”，如图2-33所示。图2-33添加“To DDT”时的选择界面33.添加“To DDT”后的界面显示，如图2-34所示。图2-34 添加“To DDT”后的界

13、面34.点击右键，选择“ExpressSelect Sign”，如图2-35所示。图2-35选择“ExpressSelect Sign”界面图35.点击左键，添加“Select Sign”过程中的选择如图2-36所示。图2-36 添加“Select Sign”过程中的选择图36.将所有的信号都添加到右边的框图中，如图2-37所示。图2-37 添加信号图37.将其放置在合适的位置，如图2-38所示。图2-38 添加“Select Sign”后的界面显示38.点击右键，选择“ExpressSignal AnalysisStatistics”，如图2-39所示图2-39选择“ExpressSigna

14、l AnalysisStatistics”39.添加“Statistics”后如图2-40所示。图2-40添加“Statistics”后界面图40.在菜单栏中选择“VIEWTools Palette”，如图2-41所示。图2-41 选择工具栏41.在工具栏中选择“Connect Wire”按钮，将图中的各元器件连接起来，如图2-42所示。图2-42 各元器件连接图42.最终前面板和流程图，如图2-43、2-44所示。图2-43 最终前面板图图2-44 最终流程图43.至此，实际信号的采集、波形显示全部完成。（三）设计整体验证1.按照实验原理图连接好电路后，所有实验仪器准备就绪。2.确认数据采集

15、仪电源关闭（数据此案记忆电源在DRLAB快速可重组综合实验台上，按钮弹起为关闭状态）。3.开启总电源和直流电源。4.开启数据采集电源。5.依次打开实验箱电源、实验脚本。在桌面上运行LabVIEW主程序图标，或者在“开始“程序中运行快捷方式进入LabVIEW主界面，如图3-1所示。图3-1 LabVIEW主界面6.点击Browse，在实验目录中选择相应的脚本，具体路径如下：Browse我的电脑可移动磁盘多通道信号采集系统。7.打开脚本后，在计算机中实验环境如图3-2所示。图3-2 计算机中的实验环境8.打开电路板电源开关、热源开关。9.把温度计探头放在三极管温度传感器附近，靠近热源加热，观察温度

16、计温度。10.在脚本界面中，选择相应的模块通道（通道1），如图3-3所示；点击连续运行按钮，点击开关按钮观察实验运行情况，如图3-3所示。从图中读取电压值，通过数字温度计读取温度值。（此时温度为24。电压为659.30mv。图3-3 初始温度为24摄氏度时的工作界面显示11.改变热源温度，再次观察实验运行情况。如图3-4所示。（此时温度为30。电压为659.79mv。图3-4温度为30实验运行时的界面图12.再改变热源温度，观察实验运行情况，如图3-4所示。从途中读取电路输出的电压值；本实验电压值为658.88mv，此时数字温度计显示为32度。图3-4 32摄氏度时的工作界面显示13.重复上述

17、步骤，记录实验数据，如表1，做出温度曲线，如图3-5。表1 电压随温度数据变化表温度（）243032343640424344电压（mv）659.30659.79658.88658.81657.07655.83653.19652.46651.79图3-5 温度特性曲线（四）小结通过对本课程设计的学习，使我进一步了解了传感器的类型（如压力传感器、温度传感器、湿度传感器、光电传感器等等，同时也了解了一些传感器的工作原理以及应用设计，例如温度传感器就有许多种的设计方法：热敏电阻、铂电阻、热电偶、集成温度传感器等等。同时也学习到了再制作三极管温度传感器时的一些注意事项：1.不同的环境下所得到的实验结果差

18、别很大，但其对实验结果分析的实验特性应与三极管的特性一致。2.在实验中注意将三极管靠近热源、将数字温度计靠近三极管，实验操作的正确性可以有效地减小实验误差。3.在实验中，对热源勿加热至太高，因为在高温下得出的结果不能有效地反映三极管的特性。4.连接实验电路前必须确认三极管的三个引脚。六、回答相关问题1.温度测量方法有哪两类，各举例说明。答：温度测量方法有接触式测温和非接触式测温两大类。常用的接触式测温仪表有：热电阻温度计、热电偶温度计等；非接触式测温仪表有：辐射式温度计、光纤式温度计等。2.温度传感器由哪几个部分组成？传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。3.传感器的基本工作原理

19、。传感器的基本工作原理就是通过转换电路，把不能被直接测量量转化为可测量量，再通过一定的转换使其成为可读量。4.热电偶温度传感器是工业上最常用的温度检测元件之一，其优点是什么？主要有以下3个优点：1）测量精度高。温度传感器与被测量直接接触，不受中间介质的影响。2）测量范围广。热电偶温度传感器的维度测量范围从-50+1600均可测量，有的热电 偶可测更低或者更高。3）构造简单，使用方便。温度热电偶传感器通常由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开关的限制，外有保护套，使用非常方便。5.三极管温度传感器测温的基本原理。根据三极管的温度特性，热源对其的加热从而引起电极间电压的变化，再通过转换电路，将其

20、电压显示转换成温度显示。6.三极管温度传感器的适用范围。7.传感器的静态特性包括哪些？传感器的静态特性包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、零点漂移、温度漂移。8.传感器的动态特性包括哪些？传感器的动态特性包括瞬态响应特性和频率响应特性两方面。9.传感器的定义。传感器是一种以一定精确度将被测量（主要为非电量）转换为与之有确定关系、便于应用的某种物理量（主要为电量）的测量装置。10.90国际温标主要包括哪几个方面的内容？主要包括3个方面的内容：1）温度单位。2）定义固定温度点。3）浮现固定温度点的方法。11.热电阻式传感器的测温元件主要包括哪两类？主要包括金属热电阻半导体热敏电阻两类。七、参考文献1 徐科军 马修水 李晓林等 传感器与检测技术（第2版） 北京：电子工业出版社，20092 王化祥 张淑英 传感器原理与应用（第3版） 天津：天津大学出版社，20073 刘迎春 传感器原理设计与应用 长沙：国防科技大学出版社，19984 郁有文 常建 程继红 传感器原理及工程应用 西安：西安电子科技大学出版社，20035 强锡富 传感器 北京：机械工业出版社，20036 张正伟 传感器原理与应用 北京：中央广播电视大学出版社，1997