集成溫度傳感器及光電二極管和光敏電阻的特性研究

1、集成溫度傳感器及光電二極管和光敏電阻的特性研究 集成溫度傳感器的特性摘要:集成溫度傳感器的基本原理、性能與應(yīng)用關(guān)鍵詞：AD590，溫度模塊，溫敏晶體管Abstract:an analysis on the size and structure of the calorimeter and the application in temperature measurement and controlKey Words: the circuitry of AD590 IC temperature sensor ，temperature transistor temperature module，一、

2、概述溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，它不僅廣泛應(yīng)用于日常生活中，而且也大量應(yīng)用于自動(dòng)化和過程檢測(cè)控制系統(tǒng)。溫度傳感器的種類很多，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用條件，選擇恰當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，并同時(shí)達(dá)到增加使用壽命和降低成本的目的。在-50-150溫度范圍內(nèi)，AD590 輸出電流與溫度呈線性關(guān)系，與常用的水銀溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)相比，它具有靈敏度高、消除電源波動(dòng)性的特性，因此廣泛應(yīng)用與各種精度較高的溫度測(cè)量。二、實(shí)驗(yàn)原理：集成溫度傳感器將溫敏晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一塊芯片上，能直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想線性輸出，一般用于-55150之間的溫度測(cè)量。溫敏晶體管在管子的集電極電流恒定時(shí)，其基極發(fā)

3、射極電壓與溫度成線性關(guān)系，為克服溫敏晶體管vb電壓產(chǎn)生時(shí)的離散性，采用了特殊的差分電路。集成溫度傳感器具有電壓型和電流型兩種，電流輸出型集成溫度傳感器在一定的溫度T時(shí)相當(dāng)于一個(gè)恒流源。因此，它不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪音的干擾，具有很好的線性特性。本實(shí)驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)的AD590，它只需要一種電源（430V）即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在終端使用一只取樣電阻，即可實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。它使用方便，并且電流型比電壓型的測(cè)量精度高。圖1（a）是AD590的封裝形式，圖1（b）是AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、 將主控箱上總電源關(guān)閉，把主控箱中溫度檢測(cè)與控制單元中的

4、恒流加熱電源輸出與溫度模塊中的恒流輸入連接起來。2、 將溫度模塊中的溫控Pt100與主控箱的Pt100輸入連接起來。3、 將溫度模塊中左上角的AD590接到a、b上（正端接a，負(fù)端接b），再將b、d連接起來。4、 將主控箱的+5V電源接入a和地之間。5、 將d和地與主控箱的電壓表輸入端相連（即測(cè)量1K電阻兩端的電壓）。6、 開啟主電源，將溫度控制器的SV窗口設(shè)定為50（設(shè)置方法見附錄2），以后每隔5設(shè)定一次，即四、數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理利用matlab對(duì)數(shù)據(jù)繪圖并進(jìn)行擬合，讀取數(shù)顯表值，將結(jié)果填入下表。求出非線性誤差為0.93%Matlab 編程語言代碼1x=50,55,60,65,70,75,8

5、0,85,90,95,100;y=0.323,0.329,0.334,0.339,0.345,0.350,0.355,0.361,0.366,0.371,0.376; K=polyfit(x,y,1);M=polyval(K,x);hold on;grid on;plot(x,y,-r);plot(x,M,-b);代碼2x=50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100;y=0.323,0.329,0.334,0.339,0.345,0.350,0.355,0.361,0.366,0.371,0.376;K=polyfit(x,y,1);M=polyval(K,x);R=y

6、-M;r=max(R);VF=r/(0.376-0.323);五、實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的事項(xiàng)：1、加熱器溫度不能太高，控制在120以下，否則將可能損壞加熱器。2、采用放大電路測(cè)量時(shí)注意要調(diào)零。3、在測(cè)量AD590時(shí)，不要將AD590的+、-端接反，因?yàn)榉聪螂妷狠敵鰯?shù)值是錯(cuò)誤的，而且可能擊穿AD590。六、總結(jié)與提高AD590溫度傳感器不但實(shí)現(xiàn)了溫度轉(zhuǎn)換為線性化電量測(cè)量，而且精確度高、互換性好、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，因此，可把輸出的電信號(hào)經(jīng)AD卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)采集Vi-t的數(shù)據(jù)，以發(fā)揮其實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的特點(diǎn)。把AD590用于改進(jìn)一部分物理實(shí)驗(yàn)，如空氣比熱容比的測(cè)量、金屬比熱容的測(cè)量及液氮汽化熱的測(cè)量等，都

7、可取得良好的效果。應(yīng)用舉例1、攝氏溫度測(cè)量電路2、溫差測(cè)量電路及其應(yīng)用3、將不同測(cè)溫點(diǎn)上的數(shù)個(gè)AD590相串聯(lián)，可測(cè)出所有測(cè)量點(diǎn)上的溫度最低值光電二極管和光敏電阻特性的研究摘要:研究硅光電池和光敏電阻的特性曲線關(guān)鍵詞:光電二極管 ，光敏電阻，硅光電池 Abstract：In this experiment， we will research the Photoelectric diode and photoconductive resistance properties and applicationsKey words：Photoelectric diode， photoconductive

8、 resistance ，silicon photocell一、概述光敏傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測(cè)直接引起光強(qiáng)度變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其它非電量，如零件直徑、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物體形狀、工作狀態(tài)識(shí)別等。光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因而在工業(yè)自動(dòng)控制及智能機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。二、基本原理光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，在光輻射作用下電子逸出材料的表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射稱為外光電效應(yīng)，或光電子發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。電子并不逸出

9、材料表面的則是內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)則屬于內(nèi)光電效應(yīng)。即半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類，幾乎大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器都是此類，通常有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。1 光電二極管光電二極管是利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，結(jié)構(gòu)與一般二極管類似。PN結(jié)安裝在管的頂部，便于接受光照。外殼上有以透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上，為了獲得盡可能大的光生電流，PN結(jié)的面積比一般二極管要大。為了光電轉(zhuǎn)換效率高，PN結(jié)的深度比一般二極管淺。光電二極管可工作在兩種狀態(tài)。大多數(shù)情況下工作在反向偏壓狀態(tài)。在這種

10、情況下，當(dāng)無光照時(shí)，處于反偏的二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流，即暗電流。反向電流小的原因是在PN結(jié)中，P型中的電子和N型中的空穴（少數(shù)載流子）很少。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，在外加反偏電壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成了光電流，反向電流隨光照強(qiáng)度增加而增加。另一種工作狀態(tài)是在光電二極管上不加電壓，利用PN結(jié)受光照強(qiáng)度增加而增加。N結(jié)受光照時(shí)產(chǎn)生正向電壓的原

11、理，將其作為微型光電池用。這種工作狀態(tài)一般用作光電檢測(cè)。光電二極管常用的材料有硅、鍺、銻化銦、砷化銦等，使用最廣泛的是硅、鍺光電二極管。光電二極管具有響應(yīng)速度快、精巧、堅(jiān)固、良好的溫度穩(wěn)定性和低工作電壓的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。圖為光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，Vo=IpR，Ip為光電流，R是反饋電阻。2 光敏電阻光敏電阻是利用光的入射引起半導(dǎo)體電阻的變化來進(jìn)行工作的。光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)：在無光照時(shí)，光敏電阻具有很高的阻值；在有光照時(shí)，當(dāng)光電子的能量大于材料禁帶寬度，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子空穴對(duì)，使電阻降低，光線愈強(qiáng)，激發(fā)出的電子空穴對(duì)越多，電阻值

12、越低；光照停止后，自由電子與空穴復(fù)合，導(dǎo)電能力下降，電阻恢復(fù)原值。制作光敏電阻的材料常用硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、硫化鉛（PbSe）銻化銦（InSb）等。由于光導(dǎo)效應(yīng)只限于光照表面的薄層，所以一般都把半導(dǎo)體材料制成薄膜，并賦予適當(dāng)?shù)碾娮柚?，電極構(gòu)造通常做成梳形，這樣，光敏電阻與電極之間的距離短，載流子通過電極的時(shí)間少，而材料的載流子壽命c(diǎn)Tc又較長(zhǎng)，于是就有很高的內(nèi)部增益G，從而獲得很高的靈敏度。光敏電阻具有靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，重量輕，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊，抗過載能力強(qiáng)，耗散功率大，以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。光敏電阻的阻值R和光的強(qiáng)度呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性。三 實(shí)驗(yàn)器件與單元光電模塊，主控箱

13、，萬用表，020mA恒流源。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、將主控箱的020mA恒流源調(diào)節(jié)到最小。2、把020mA恒流源的輸出和光電模塊上的恒流輸入連接起來，以驅(qū)動(dòng)LED光源。3.1、硅光電池實(shí)驗(yàn)：將恒流源從0開始每隔2mA記錄一次，填入下列相應(yīng)的表格，光電二極管的強(qiáng)度指示在光電模塊的右邊數(shù)顯上。3.2、光敏電阻實(shí)驗(yàn)：由于光敏電阻光較弱時(shí)變化較大，所以在02mA之間，每隔0.5mA記錄一次，以后每隔2mA做一次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的數(shù)據(jù)填入下列相應(yīng)表格。光敏電阻的大小用萬用表測(cè)量光電模塊上的光敏電阻輸出端。五、數(shù)據(jù)記錄與處理（1）光電二極管：（2）光敏電阻：用matlab處理數(shù)據(jù)，作圖硅光電池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖硅光電

14、池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖及其擬合圖K = 2.0345 -0.3182硅光電池?cái)M合直線方程： Y= 2.0345 X -0.3182得到非線性誤差為 0.79%光敏電阻曲線圖六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)注意要將主控箱上恒流輸出的正負(fù)端和光電模塊上的正負(fù)端對(duì)應(yīng)接好，否則，光發(fā)送端將不能發(fā)光。七、總結(jié)和提高光敏電阻的應(yīng)用:1通過光照的改變,改變光敏電阻的組織,使其改變分壓,從而改變燈的亮度,這是一種光敏電阻調(diào)光電路。2下左圖是一種簡(jiǎn)單的暗激發(fā)繼電器開關(guān)電路。其工作原理是:當(dāng)照度下降到設(shè)置值時(shí)由于光敏電阻阻值上升激發(fā)VT1 導(dǎo)通,VT2 的激勵(lì)電流使繼電器工作,常開觸點(diǎn)閉合,常閉觸點(diǎn)斷開,實(shí)現(xiàn)對(duì)外電路的控制。3下右圖是一種精密的暗激發(fā)時(shí)滯繼電器開關(guān)電路。其工作原理是:當(dāng)照度下降到設(shè)置值時(shí)由于光敏電阻阻值上升使運(yùn)放IC的反相端電位升高,其輸出激發(fā)VT導(dǎo)通,VT的激勵(lì)