基于AD590温度传感器及温度控制.docx

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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，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电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV／K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982V。

电流输出型的灵敏度一般为1

A／K。

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1

AD590的主特性参数如下：

工作电压：

4～30V；工作温度：

－55～＋150℃；

保存温度：

－65～＋175℃；

正向电压：

＋44V；

反向电压：

－20V；

焊接温度（10秒）：

300℃；

灵敏度：

1μA／K。

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5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ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1mV／K的电压信号。

其基本电路如图1.2所示。

图2

　　图1-2是利用ΔUBE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ΔUBE。

因此，电流I1为：

I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R

　　对于AD590，n＝8，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1μA／K的I值。

图3

图3所示是AD590的内部电路，图中的T1～T4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。

T1～T4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1／3。

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：

ΔUBE＝（R6－2R5）I／3R6上只有T9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2／3.

根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，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ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE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1μA／K.

AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度）,因此量测的电压V为（273+T）μA×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4

3、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所示。

LF356为电流电压转换器，LM311为电压比较器，

R、R力、R和2D~／C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1．2~311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，II增大。

当T>To时，va

当Tvb电热丝再次通过电加热，从而达到恒温控制的目的。

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1μA/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0～100℃，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273.2μA，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373.2μA，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=100mV。

如此反复调整多次，直至0℃时，Uo=0mV，100℃时Uo=100mV为止。

最后在室温下进行校验。

例

如，若室温为25℃，那么Uo应为25mV。

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，AD590的应用也是多元化的：

电流可转换成一个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

AD590是AD公司利用PN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

1．1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l

A／K；

（3）线性度好，满刻度范围为±0.3℃；

（4）电源电压范围4~30V，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298.2

A：

（6）功率损耗低。

1.2AD590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=Is（e

-1）≈Is．e

（1）

式中，I——通过二极管的电流

Is——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1.602

10

（库）

K——常数，等于1.38

10

（焦耳／K）

T——绝对温度（K）

由式

（1）可知，I／Is=e

，所以

V

=KT／q·lnI/Is=KT／q·lnJ

（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T2管射极电阻R上的压降，由于V

与成正比，

AD590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

=2I

，集成电路中的总电流I

必与T成正比。

设R=358

，I

=2

（179×10

／R）·T

所以I

/T=l

A／K（4）

这就是AD590当温度改变l度（绝对温度）获得lA电流输出的，这就是把温度转成电流的道理。

二、AD590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AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器RP的电阻之和为1kn时，输出电压U0随温度的变化为1mV／K。

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（273.15K）中，调整电位RP，使U0=273.15mV。

或在室温下（298.15条件下调整电位器使U0=273.2+25=298.2mV。

但这样调整只可保证在273.15K或298.15K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