恒溫控制溫度傳感器特性綜合實驗儀說明書

1、fd-wtc-d型 恒溫控制溫度傳感器實驗儀說明書上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司中國 上海fd-wtc-d型恒溫控制溫度傳感器實驗儀一概述溫度傳感器的特性測量和定標(biāo)是大學(xué)普通物理熱學(xué)實驗和電磁學(xué)實驗中的一個基本內(nèi)容，是新的全國理工科物理實驗教學(xué)大綱中一個重要實驗。為開設(shè)好此實驗，由復(fù)旦大學(xué)物理實驗教學(xué)中心和上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司協(xié)作，聯(lián)合研制了采用ds18b20單線數(shù)字溫度傳感器為測量元件的新一代恒溫控制儀。新儀器與同類其它儀器相比，有以下四個優(yōu)點(diǎn)： 1)傳感器體積小;2)控溫精度高;3)無污染及噪聲(無水銀污染且不用繼電器);4)設(shè)定溫度和測量溫度均用數(shù)字顯示。本實驗儀器可用于各種溫度傳

2、感器的特性測量和各種材料的電阻與溫度關(guān)系特性測量實驗，本儀器也可用于物理化學(xué)實驗做恒溫儀用，它是理工科大學(xué)普通物理實驗必備重要實驗裝置之一。二用途1.電流型集成溫度傳感器ad590的特性測量和應(yīng)用:(1)測量ad590輸出電流和溫度的關(guān)系，計算傳感器靈敏度及時傳感器輸出電流值。(2)用ad590傳感器,電阻箱,數(shù)字電壓表和直流電源等設(shè)計并安裝數(shù)字式攝氏溫度計。(3)測量集成溫度傳感器ad590在某恒定溫度時的伏安特性曲線，求出ad590線性使用范圍的最小電壓。2.測量半導(dǎo)體熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系，求該半導(dǎo)體熱敏電阻的經(jīng)驗公式。3.熱電阻等溫度傳感器的特性測量。（pn結(jié)或熱電阻用戶自備）三儀器

3、組成與技術(shù)指標(biāo)1.儀器組成如圖1所示，本機(jī)為有單片控制的智能式數(shù)字恒溫控制儀、量程為019.999v四位半數(shù)字電壓表、直流1.5v-12v穩(wěn)壓輸出電源、可調(diào)式磁性攪拌器以及2000ml燒杯、加熱器、玻璃管（內(nèi)放變壓器油和被測集成溫度傳感器）等組成。圖12.技術(shù)指標(biāo)：a.溫控儀 (1)溫度計顯示工作溫度：0100(2)恒溫控制溫度：室溫80oc (3)控制恒溫顯示分辨精度：0.1b.直流數(shù)字電壓表(1)量程：019.999v(2)讀數(shù)準(zhǔn)確度：量程0.03%5個字(3)輸出電阻：20(為了防止長時間短路內(nèi)接電阻)c.溫度傳感器ds18b20的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特性（控溫及測溫用）：(1)溫度測量范圍：-5

4、5125(2)測溫分辨率：0.0625(3)引腳排列(如圖2所示)：1（gnd）：地2（dq）：單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳3（vdd）：可選的電源引腳 圖2(4)封裝形式：to-92詳細(xì)應(yīng)用請參閱相關(guān)資料d.待測溫度傳感器ad590技術(shù)特性：(1)工作溫度：55150(2)工作電壓：4.5v24v(3)靈敏度：1a/，線性元件(4)0時輸出電流約273ae.加熱器：(1)工作電壓：交流10v150v(2)工作電流：交流最大1.5a四.儀器使用方法1.使用前將電位器調(diào)節(jié)旋鈕逆時針方向旋到底，把接有ds18b20傳感器接線端插頭插在后面的插座上，ds18b20測溫端放入注有少量油的玻璃管內(nèi)(直徑1

5、6mm)；在2000ml大燒杯內(nèi)注入1600ml的凈水，放入攪拌器和加熱器后蓋上鋁蓋并固定。2.接通電源后待溫度顯示值出現(xiàn)“b= = . = ”時可按“升溫”鍵，設(shè)定用戶所需的溫度，再按“確定”鍵，加熱指示燈發(fā)光，表示加熱開始工作，同時顯示“a = = . = ”為當(dāng)時水槽的初始溫度，再按“確定”鍵顯示“b = = . =” 表示原設(shè)定值，重復(fù)確定鍵可輪換顯示a、b值；a為水溫值，b設(shè)定值，另有“恢復(fù)”鍵可以重新開始。五.注意事項1.ad590集成溫度傳感器的正負(fù)極性不能接錯，紅線表示接線電源正極。2.ad590集成溫度傳感器不能直接放入水中或冰水混合物中測量溫度，若測量水溫或冰水混合物溫度，

6、須插入到加有少量油的玻璃的玻璃細(xì)管內(nèi)，再插入待測溫物測溫。3.攪拌器轉(zhuǎn)速不宜太快，若轉(zhuǎn)速太快或磁性轉(zhuǎn)子不在中心，有可能轉(zhuǎn)子離開旋轉(zhuǎn)磁場位置而停止工作，這時須將調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速電位器逆時針調(diào)至最小，讓磁性轉(zhuǎn)子回到磁場中，再旋轉(zhuǎn)。4.熱敏電阻的工作電流應(yīng)小于300a,防止自熱引入誤差，實驗時，直流電源調(diào)節(jié)旋鈕可反時針調(diào)到底。用數(shù)字電壓表測得電源為1.5v方可使用。5.2000ml燒杯的底部必須平整，更換大燒杯時請注意。5.倒去燒杯中水時，注意應(yīng)先取出磁性浮子保管好，以避免遺失。集成電路溫度傳感器的特性測量及應(yīng)用（復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)實驗中心提供）隨著科技的發(fā)展，各種新型的集成電路溫度傳感器器件不斷涌現(xiàn)，并

7、大批量生產(chǎn)和擴(kuò)大應(yīng)用。這類集成電路測溫器件有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：（1）溫度變化引起輸出量的變化呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系；（2）不像熱電偶那樣需要參考點(diǎn)；（3）抗干擾能力強(qiáng)；（4）互換性好，使用簡單方便。因此，這類傳感器已在科學(xué)研究、工業(yè)和家用電器溫度傳感器等方面被廣泛使用于溫度的精確測量和控制。本實驗要求測量電流型集成電路溫度傳感器的輸出電流與溫度的關(guān)系，熟悉該傳感器的基本特性，并采用非平衡電橋法，組裝成為一臺050oc數(shù)字式溫度計。 a.實驗原理ad590集成電路溫度傳感器是由多個參數(shù)相同的三極管和電阻組成。該器件的兩端當(dāng)加有某一定直流工作電壓時（一般工作電壓可在4.5v20v范圍內(nèi)），它的輸出電流與溫

8、度滿足如下關(guān)系： i=b+a式中，i為其輸出電流，單位a，為攝氏溫度，b為斜率（一般ad590的b=1a/oc,即如果該溫度傳感器的溫度升高或降低1oc，那傳感器的輸出電流增加或減少1a），a為攝氏零度時的電流值，其值恰好與冰點(diǎn)的熱力學(xué)溫度273k相對應(yīng)。（對市售一般ad590，其a值從273278a略有差異。）利用ad590集成電路溫度傳感器的上述特性，可以制成各種用途的溫度計。采用非平衡電橋線路，可以制作一臺數(shù)字式攝氏溫度計，即ad590器件在0oc時，數(shù)字電壓顯示值為“0”，而當(dāng)ad590器件處于oc時，數(shù)字電壓表顯示值為“”。b.實驗儀器 1.ad590電流型集成溫度傳感器 ad590

9、為兩端式集成電路溫度傳感器，它的管腳引出端有兩個，如圖4所示：序號1接電源正端u+（紅色引線）。序號2接電源負(fù)端u-(黑色引線)。至于序號3連接外殼，它可以接地，有時也可以不用。ad590工作電壓430v，通常工作電壓615v，但不能小于4v，小于4v出現(xiàn)非線性。2.fd-wtc-d型恒溫控制溫度傳感器實驗儀，050oc水銀溫度計等。c.實驗內(nèi)容 必做內(nèi)容：ad590傳感器溫度特性測量及數(shù)字式溫度計的設(shè)計。1. 按圖5接線（ad590的正負(fù)極不能接錯）。測量ad590集成電路溫度傳感器的電流i與溫度的關(guān)系，取樣電阻r的阻值為1000。把實驗數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合，求斜率b截距a和相關(guān)系數(shù)。實

10、驗時應(yīng)注意ad590溫度傳感器為二端銅線引出，為防止極間短路，兩銅線不可直接放在水中，應(yīng)用一端封閉的薄玻璃管套保護(hù)，其中注入少量變壓油，使之有良好熱傳遞。（實驗中如何保證ad590集成溫度傳感器與水銀溫度計處在同一溫度位置）2.制作量程為050oc范圍的數(shù)字溫度計。把a(bǔ)d590、三只電阻箱、直流穩(wěn)壓電源及數(shù)字電壓表按圖6接好。將ad590放入冰點(diǎn)槽中，r2和r3各取1000，調(diào)節(jié)r4使數(shù)字電壓表示值為零。然后把a(bǔ)d590放入其他溫度如室溫的水中，用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計進(jìn)行讀數(shù)對比，求出百分差。（冰點(diǎn)槽中冰水混合物為濕冰霜狀態(tài)才能真正達(dá)到0oc溫度）3.令圖6中電源電壓發(fā)生變化，如從8v變?yōu)?0v，觀

11、測一下，ad590傳感器輸出電流有無變化？分析其原因。選做內(nèi)容：ad590傳感器的輸出電流和工作電壓關(guān)系測量。將ad590傳感器處于恒定溫度，將直流電源、ad590傳感器、電阻箱、直流電壓表等按圖7接電路線。調(diào)節(jié)電源輸出電壓從1.5v10v，測量加在ad590傳感器上的電壓u與輸出電流i（i=ur/r）的對應(yīng)值，要求實驗數(shù)據(jù)10點(diǎn)以上。用坐標(biāo)紙做ad590傳感器輸出電流i與工作電壓u的關(guān)系圖，求出該溫度傳感器輸出電流與溫度呈線性關(guān)系的最小工作電壓ur。d.實驗數(shù)據(jù)例1.測量ad590傳感器輸出電流i和溫度之間的關(guān)系。求i-關(guān)系的經(jīng)驗公式。表1 ad590傳感器溫度特性測量/oc29.034.2

12、37.040.042.845.849.2ur/v3.0363.0863.1123.1433.1683.1963.239i/a303.6308.6311.2314.3316.8319.6323.9表1 數(shù)據(jù)用casio-3600計算器最小二乘法擬合得：斜率b=0.987a/oc；截距a=274.8a；相關(guān)系數(shù)=0.999所以，i-關(guān)系為：i=0.987+275與靈敏度標(biāo)準(zhǔn)值b=1.000a/oc相比百分誤差為1.3%.由于采用量程0100 oc（分度值1 oc）普通水銀溫度計測量，所以測量值b的相對誤差大些。2.制作灄氏溫度計由于靈敏度小于1.000a/oc,所以r2值取略大于1000，本實驗取

13、r2=r3=1.000mv/b=1.000/0.987=1012.9.將冰用刨冰機(jī)制成冰霜放入保溫杯中壓緊，并用玻璃管壓1小洞。將帶玻璃管傳感器浸入冰霜中，把儀器接成圖6電橋電路。調(diào)節(jié)r4，使=0oc時，數(shù)字電壓表輸出u=0mv。用自制攝氏溫度計測室溫水溫為28.7oc，而水銀溫度計讀數(shù)為28.7oc.3.測量ad590傳感器的伏安特性表2 ad590傳感器伏安特性測量 =3.0oc，r=10000u/v1.3261.5891.7362.0652.3422.4562.5332.6802.7132.8803.0103.2523.4403.6434.100ur/v0.2000.7771.1301.

14、7952.3062.4952.6162.7702.7752.7602.7592.7592.7602.7602.760i/a20.077.7113.0179.5230.6249.5261.6277.0277.5276.0275.9275.9276.0276.0276.0圖8 溫度為=3.0oc時，ad590傳感器伏安特性曲線e.思考題1.電流型集成電路溫度傳感器有哪些特性？它比半導(dǎo)體熱敏電阻、熱電偶有哪些優(yōu)點(diǎn)？2.如何用ad590集成電路溫度傳感器制作一個熱力學(xué)溫度計，請畫出電路圖，說明調(diào)節(jié)方法。3.如果ad590集成電路溫度傳感器的靈敏度不是嚴(yán)格的1.000a/oc，而是略有異差，請考慮如何利

15、用改變r2的值，使數(shù)字式溫度計測量誤差減少。熱敏電阻器的電阻溫度特性測量（復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)實驗中心提供） 熱敏電阻通常是用半導(dǎo)體材料制成的，他的電阻隨溫度變化而急劇變化。熱敏電阻分為負(fù)溫度系數(shù)（ntc）熱敏電阻和正溫度系數(shù)（ptc）熱敏電阻兩種。ntc熱敏電阻的體積很小，其阻值隨溫度變化比金屬電阻要靈敏得多，因此，它被廣泛用于溫度測量、溫度控制以及電路中的溫度補(bǔ)償、時間延遲等。ptc熱敏電阻分為陶瓷ptc熱敏電阻及有機(jī)材料ptc熱敏電阻兩類。ptc熱敏電阻是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種新型材料電阻器，它的特點(diǎn)是存在一個“突變點(diǎn)溫度”，當(dāng)這種材料的溫度超過突變點(diǎn)溫度時，其阻值可急劇增加5-6

16、個數(shù)量級，（例如由101急增到107以上），因而具有極其廣泛的應(yīng)用價值。 近年來，我國在ptc熱敏電阻器件開發(fā)與應(yīng)用方面有了很大發(fā)展，陶瓷ptc熱敏電阻由于其工作功率較大及耐高溫性好，已被應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械、冰箱等作電流過載保護(hù)，并可替代鎳鉻電熱絲作恒溫加熱器和控溫電路，用于自熱式電蚊香加熱器、新型自動控溫烘干機(jī)、各種電加熱器等一系列安全可靠的家用電器；而有機(jī)材料ptc的熱敏電阻具有動作時間短、體積小、阻值低等特點(diǎn)，現(xiàn)已被用于國內(nèi)電話程控交換機(jī)、便攜式電腦、手提式無繩電話等高科技領(lǐng)域作過載保護(hù)，應(yīng)用范圍很廣。 本實驗用溫度計和直流電橋測定熱敏電阻器與溫度的關(guān)系。要求掌握ntc熱敏電阻器的阻值與溫度

17、的關(guān)系特性、并學(xué)會通過數(shù)據(jù)處理來求得經(jīng)驗公式的方法。a.實驗原理1.負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻-溫度特性ntc熱敏電阻通常由mg、ni、cr、co、fe、cu等金屬氧化物中的2-3種均勻混合壓制后，在600-1500oc溫度下燒結(jié)而成，由這類金屬氧化物半導(dǎo)體制成的熱敏電阻，具有很大的負(fù)溫度系數(shù)。在一定的溫度范圍內(nèi)，ntc熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系滿足下列經(jīng)驗公式： (1)式中，r為該熱敏電阻在熱力學(xué)溫度t時的電阻值，r0為熱敏電阻處于熱力學(xué)溫度t0時的阻值。b是材料常數(shù)，它不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，而且與溫度有關(guān)，在一個不太大的范圍內(nèi)，b是常數(shù)。 由（1）式可求得,ntc熱敏電阻在熱力學(xué)溫度t0時的電

18、阻溫度系數(shù) （2）由(2)式可知，ntc熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)是熱力學(xué)溫度的平方有關(guān)的量，在不同溫度下，值不相同。對（1）式兩邊取對數(shù)，得 在一定溫度范圍內(nèi)，lnr與成線性關(guān)系,可以用作圖法或最小二乘法求得斜率b的值。并由（2）式求得某一溫度時ntc熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)。2.正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻-溫度特性 ptc熱敏電阻具有獨(dú)特的電阻-溫度特性，這一性質(zhì)是由于其微觀結(jié)構(gòu)決定的。當(dāng)溫度升高超過ptc熱敏電阻突變點(diǎn)溫度時，其材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了突變，它的電阻值有明顯變化，可以從101變化到107,ptc熱敏電阻的溫度大于突變點(diǎn)溫度時的阻值隨溫度變化符合如下經(jīng)驗公式： (3) 其中，t為樣品的熱力

19、學(xué)溫度，t0為初始溫度，r為樣品在溫度t時的電阻值，r0為樣品在溫度t0時的電阻值，a的值在某一范圍內(nèi)近似為常數(shù)。 對陶瓷ptc熱敏電阻，在小于突變點(diǎn)溫度時，電阻與溫度關(guān)系滿足（1）式，為負(fù)溫度系數(shù)性質(zhì)，在大于突變點(diǎn)溫度時，滿足（3）式，為正溫度系數(shù)熱敏電阻，此突變點(diǎn)溫度常稱為居里點(diǎn)。而對有機(jī)材料ptc熱敏電阻，在突變點(diǎn)溫度上下均為正溫度系數(shù)性質(zhì)，但是其常數(shù)a也在突變點(diǎn)發(fā)生了突變，即a值在溫度高于突變點(diǎn)后明顯激增。b.實驗裝置 本實驗器材包恒溫器、攪拌器、溫度計、熱敏電阻、小試管、電阻箱三只、干電池一節(jié)、檢流計等。熱敏電阻放置在可變溫度的恒溫器中，用溫度計測量溫度。將電阻箱、干電池、檢流計用連

20、接線接成電橋，測出熱敏電阻的阻值。圖9 實驗裝置簡圖c.實驗內(nèi)容必做部分：測量ntc熱敏電阻器的電阻與溫度關(guān)系特性，計算熱敏電阻材料常數(shù)b.1.把ntc熱敏電阻和玻璃溫度計一起插在盛有變壓器油的玻璃小試管內(nèi)，試管置于盛有水的可控恒溫槽中，當(dāng)ntc熱敏電阻、玻璃溫度計和水溫達(dá)到平衡時，用玻璃溫度計測出ntc熱敏電阻的溫度，用圖9所示的電路測量ntc熱敏電阻的阻值r0(注意：熱敏電阻的電流應(yīng)小于300a, 避免熱敏電阻自己發(fā)熱對實驗測量的影響。此時直流電橋臂往往不能嚴(yán)格取1:1比例，直流電源最大取1.5v)2.先測出室溫時（將ntc熱敏電阻和溫度計等插入室溫水中）溫度和ntc熱敏電阻阻值r0.然后

21、逐步增加恒溫槽溫度，每當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)定時，測量相應(yīng)的一組i與ri的值.要求溫度從70oc范圍內(nèi)測出810組數(shù)據(jù).用公式t=273.15+，將攝氏溫度換算成熱力學(xué)溫度t.3.用最小二乘法求出溫度在室溫70oc范圍內(nèi)的材料常數(shù)b.4.用公式(2)計算ntc熱敏電阻在溫度=50.0oc時的電阻溫度系數(shù).選做部分：測量熱敏電阻器的電阻與溫度特性，求經(jīng)驗公式和突出變點(diǎn)溫度.1.陶瓷ptc熱敏電阻特性測量.(a) 待測樣品取用電蚊香加熱用圓型陶瓷片，兩面涂銀， 并用磷銅皮夾緊固定.(b) 把待測樣品放置在可調(diào)溫度恒溫爐中，采用銅-康銅熱電偶測溫，用直流電橋測量陶瓷ptc熱敏電阻的阻值，當(dāng)溫度超過突變點(diǎn)（居里

22、點(diǎn)）溫度時，溫度變化引起阻值變化過快，可采用數(shù)字萬用表的電阻擋測量電阻.(c)作電阻r與熱力學(xué)溫度t的關(guān)系圖，求得陶瓷ptc熱敏電阻突變點(diǎn)溫度tr.2.有機(jī)材料ptc熱敏電阻特性測量(a)待測樣品取用電器及馬達(dá)等過載保護(hù)用的有機(jī)材料ptc熱敏電阻.(b)把待測樣品放在可調(diào)溫度恒溫爐中，用銅-康銅熱電偶測溫，用直流電橋測電阻.(c)用半對數(shù)坐標(biāo)紙作有機(jī)材料ptc熱敏電阻的阻值r與熱力學(xué)溫度t的關(guān)系圖，求該材料的突變點(diǎn)溫度trd.思考題1.在實驗測量時流過ntc熱敏電阻的電流應(yīng)小于300a，為什么？如何保證此實驗條件的實現(xiàn)？如果電源，電壓為1.5v，在室溫時，橋臂怎么?。?.若玻璃溫度計的溫度示值

23、與實際溫度有所差異，對實驗結(jié)果有什么影響？應(yīng)如何保證所測的溫度值準(zhǔn)確？3.ptc熱敏電阻與ntc熱敏電阻在電阻溫度特性方面有哪些區(qū)別？它們各有哪些應(yīng)用？4.根據(jù)ptc熱敏電阻的電阻溫度特性，你能開發(fā)該材料哪些新的應(yīng)用？5.能否用伏安法測量ntc熱敏電阻的電阻值？如果可以請畫出測量電路圖.e.實驗數(shù)據(jù)例電橋臂ra、rb是規(guī)格為0.1級0-9999的電阻箱，調(diào)節(jié)電阻rs為0.1級0-9999.9的電阻箱，電源為1.5v.在室溫至70oc范圍內(nèi)，電阻值大于9000.所以滿足rt+rs5000,即通過rt熱敏電阻電流小于300a要求.表3 熱敏電阻的阻值和溫度關(guān)系數(shù)據(jù)序號rt/t/k01163109.

24、3613297.653.35970194869.1576303.583.2940-0.0657273248.8989311.853.2067-0.1530351848.5533323.403.0921-0.2676437478.2287335.442.9812-0.3785525657.8497348.262.8714-0.4883用casio-3600計算器對作最小二乘法數(shù)據(jù)處理，可得b=3.070103k，lnr0=9.369.r0=117110.相關(guān)系數(shù)r=0.9995所以，經(jīng)驗公式為： 若用該熱敏電阻測量某溫度，只須測得此時的阻值，即能由上式算得溫度，或由的關(guān)系圖曲線圖上查得溫度. 附

25、錄用二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度校準(zhǔn)本儀器溫度測定儀示值實驗時間：2004年12月6日上午；地點(diǎn)：上海復(fù)旦天欣科教儀器公司技術(shù)科.室溫：13.80oc.瓶（大燒杯）內(nèi)放2000ml純水。試管內(nèi)放5cm高變壓器油。表4比較法對儀器溫度計示值進(jìn)行校準(zhǔn)溫度計設(shè)定二 等 標(biāo) 準(zhǔn) 水 銀 溫 度 計儀器溫度示值/oc修正值/oc設(shè)定溫度/oc示值/oc露出/oc露出段平均溫度/oc*證書上修正值/oc/oc實際溫度/oc數(shù)字測溫儀讀數(shù)/oc未設(shè)定13.80全浸013.8013.6-0.2020.021.3031.014.2-0.040.0421.2921.0-0.2930.031.3141.015.5-0.050.1031.3530.0-0.3540.041.1051.017.2-0.020.2041.0940.9-0.1950.050.6461.016.9-0.020.3350.9450.7-0.24全浸式水銀溫度計在特殊情況下無法全浸時，按下式對示值修正： 式中，為修正值；r為該溫度視體膨脹系數(shù)r=1.610-4;