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1、基于AD590温度传感器及温度控制井冈山大学 传感器原理课程论文题 目：基于(AD590芯片)温度传感器及温度控制学生姓名： 张 超 学 院： 电子信息工程学院 专业班级： 11电子信息科学与技术本一班学 号： 110914057 指导老师： 黄安民 前言进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而

2、在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。 温度是一个基本的物理量

3、，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。 成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b - e结压降的不饱和值V与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为

4、电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为 10 mVK ，温度0时输出为0，温度25时输出2.982 V。电流输出型的灵敏度一般为 1AK 。温度传感器及温度控制实验(AD590)一、AD590的功能及特性 AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图1所示，它采用金属壳3 脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图1.1所示。图1AD590的主特性参数如下：工作电压：430V；工作

5、温度：55150；保存温度：65175；正向电压：44V；反向电压：20V；焊接温度（10秒）：300；灵敏度：1AK。二、AD590的工作原理在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个1k的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mVK的电压信号。其基本电路如图1.2所示。图2图1-2是利用UBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结

6、面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为UBE。因此，电流I1为：I1UBER（KTq）（lnn）R对于AD590，n8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图1.3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1AK的I值。图3图3所示是AD590的内部电路，图中的T1T4相当于图3中的T1、T2，而T9， T11相当于图3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工艺制成的低

7、温度系数电阻，供出厂前调整之用。T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。T1T4是为热效应而设计的连接方式。而C1和R4则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的13。T9和T11 的发射结面积比为8：1，T10和T11的发射结面积相等。T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：UBE（R62 R5）I3R6上只有T

8、9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的23.根据上式不难看出，要想改变UBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使UBE减小，不过，改变R5对UBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250之下使总电流I达到1AK.AD590的输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)A 10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压

9、V2等于输入电压V。 由于一般电源供应较多零件之后,电源是带噪声的,因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。 接下来我们使用差动放大器其输出Vo为 (100K/10K)(V2-V1)=T/10V。如果现在为摄氏28度,输出电压为2.8V。 AD590温度传感器使用原理图图43、 AD590在恒温中的应用 AD590不但实现了温度的电量测量，而且灵敏度高、反应时间短，因此可作为恒温控制电路的信号检测器。与目前大量使用的接点式水银温度计相比，它具有控温精度(温控在某点时的温度最大波动范围)高、体积小、无污染、使用方便等优点。恒温控制电路如图1-4所

10、示。LF356为电流电压转换器，LM311为电压比较器，R 、R力、R 和2DC此部分电路用以设置该控温电路的温度预定值ro。AD590输出的电流经15356后转换为一负电压(相对于接地点)输出 Va。比较器12311对Va 和vb进行比较，如果 va vb，则输出一恒定的正电压v0 ，三极管3DK4B导通，固体继电路J1接通。由于有电流通过，交流接触器r2的常开触点闭合，电热丝通电加热。AD590的温度T升高，I I增大。当TTo时，va vb，LM311的输出约等于零伏，3DK4B截止，J1断开，J2常开触点随之断开，电热丝停止加热， T下降。当Tvb电热丝再次通过电加热，从而达到恒温控制

11、的目的。四、温度传感器及温度控制实验一、实验原理温度传感器电路如图5所示。AD590能把温度信号转变为与绝对温度值成正比的电流信号I0，比例因子为1A/K。通过运算放大器实现电流运算，在运算放大器输出端得到与温度成线性关系的电压UO。通过调节电位器RP1和RP2，可以使UO在被测温度范围内具有合适数值。例如被测温度范围为0100，则可在0时，调节RP1使UO为0V；在100时，调节RP2使UO为5V，这样被测温度每变化1对应UO变化50mV。图5 温度传感器实验原理图在本实验中，由于0和100这两个温度不便得到，因此温度/电压的标定采用理论值推算的方法。在0下AD590的电流理论值为273.2

12、A，要使输出电压UO为0V，则I0与I1相等：，那么100下AD590的电流理论值为373.2A，此时要使UO为5V，则：，那么如果将转换电路的输出电压连接到加热及温度控制电路中（图6）的电压比较器，通过继电器控制保温盒电热元件的通电或断电，这样根据电压比较器调温端的基准电压大小，就能使保温盒内的温度保持在某一数值范围内。图6加热及温度控制电路图二、总体机构设计 调节电位器RP4，使温度给定电压为2V，即表示设定温度为40，接通加热电源开关，观察升温过程。在升温过程中，由于温度计的热惯性比AD590小，因此温度计指示值要慢于UO的变化。此时转换电路板上的红色指示灯VD1灭，继电器J断开，传感器

13、小板上的绿色指示灯亮，表示处于加热过程。当UO达到2V时，继电器J吸合，断开加热电源，但温度仍会继续稍有上升，然后下降。当UO降到2V左右时，继电器J断开，接通加热电源，温度仍会继续稍有下降，然后上升。经过几次这样的循环，温度变化范围会稳定下来。如果温度计的平均指示值小于40，应适当减小RP2的阻值，反之则要增加。调整RP2，使温度计的平均指示值尽量接近40。五、模拟式摄氏温度测量电路如图 7所示，电位器RP1用于调整零点，RP2用于调整运放的增益。调整方法如下： 在0时调整 RP1，使输出Uo = 0，然后在 100时调整 RP2使Uo = 100 mV。如此反复调整多次，直至0时，Uo =

14、 0 m V，100 时Uo = 100 mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25 ，那么Uo应为2 5 mV。冰水混合物是 0环境，沸水为100 环境。图7模拟式摄氏温度测量电路六、结束语 由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源，线性好。基于该器件输出电流与绝对温度成正比这种特性，对于温度测量的应用包括冷端补偿和离散补偿的纠正，以及流速测量、标准流度或风力测定。AD590 这一芯片适用于混合电路及受保护环境的快速温度测量条件下。此外，AD590也可用于细微的传感应用中。这一器件由于其高阻抗输出电路对长线路上电压压降较为敏感。根据其输出特性，A D590的应用也是多元化的：电流可

15、转换成一个CMOS多路(复用)器或者供给电压也可转换成逻辑门输出。 参考文献 文献的摘要 A D590是AD公司利用P N结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。由于该器件具有良好的线性特性和互换性，因此测量精度高并具有消除电源波动的特性。通过分析AD590的基本结构、 主要性能以及基本工作原理，介绍了该器件在温度检测中的广泛应用。一、AD590简介11 特性AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：( 1 ) 测温范围- 55+l50；( 2 ) 线性电流输出lA K；( 3 ) 线性度好，满刻度范围为0 .3；( 4 ) 电源电压范围4 30

16、 V，当电源电压在5 10V之间，电压稳定度为l 时，所产生的误差只有0.01；( 5 ) 电阻采用激光修刻工艺，使在+ 25 ( 298.2K) 时，器件输出298.2A：( 6 ) 功率损耗低。1.2 AD590的工作原理AD590通过利用硅晶体管的基本性能来实现与温度成正比这一特性，二极管的基本方程为：I = I s ( e-1 ) I se ( 1 )式中，I 通过二极管的电流I s 二极管的反向饱和电流V二极管两端电压 (伏)q 电子电荷量，等于 1.60210 (库)K常数，等于 1.38 10 (焦耳K )T绝对温度 ( K )由式 (1 ) 可知，II s = e ， 所以V

17、= KTql n I / I s = KTql n J ( 2 )由式 ( 2 ) 可知V与绝对温度成正比，AD590就是根据式(2 )工作的。由式 ( 3 ) 可知，V与T成正比， V是T 2管射极电阻R上的压降，由 于V与成正比，A D590的简化电路如图1所示由式 ( 3 ) 可知，V与T成正比，V是T2管射极电阻R上的压降，由于V与成正比所以通过R上的电流I必与绝对温度T成正比，因I= 2 I，集成电路中的总电流I必与T成正比。设R= 358，I= 2 (17910R )T所以I/ T =lAK ( 4 )这就是 A D5 9 0当温度改变 l 度 ( 绝对温度)获得 l A电流输出的

18、，这就是把温度转成电流的道理。二、A D 5 9 0的应用电路 1、基本应用电路如图2是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过A D 5 9 0的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器 R P的电阻之和为1 k n时，输出电压U0随温度的变化为1mVK。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整，图2测量热力学温度的基本应用电路RP用于校准调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物( 273.15 K )中，调整电位RP，使U0 = 273.15 mV。或在室温下( 298.15条件下调整电位器使U0 = 273.2 + 25 = 298 .2 m

19、V。但这样调整只可保证在 2 7 3. 1 5 K或2 9 8 .1 5 K附近有较高精度。【1】黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用【M】成都:电子科技大学出版社,1996 【2】蒋敏兰,胡生清,幸国全.AD590温度传感器的非线性补偿及应用【J】.传感器技术,2001，20(10):54-55【3】逢玉台，王团部集电温度传感器AD590及其应用【J】国外电子元器件，2002 , (6)：22-24【4】黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用【M】成都:电子科技大学出版社,1996 【5】蒋敏兰,胡生清,幸国全.AD590温度传感器的非线性补偿及应用【J】.传感器技术,2001，20(10):54-55