使用AD590集成传感器测量加热源温度

一、任务目标

通过本任务的学习，帮助学生了解集成温度传感器的分类，掌握集成温度传感器的工作原理和基本测温电路，学会使用集成温度传感器测量加热源温度。

二、任务分析

练习

（1）AD590 集成温度传感器是把________、________及________集成在同一芯片上的温度传感器。AD590 能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，在一定温度下，相当于一个恒流源，一般用于________（测温范围）之间温度测量。

（2）AD590 等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗＞10 MΩ，能大大减小因电源电压变动而产生的测温误差。对应于热力学温度T，每变化1 K，输出电流变化________。

（3）AD590 集成温度传感器的基本测温电路中，当电位器的电阻为精密电阻时，起着将AD590 输出的电流转换为电压的作用，通过调节电位器使输出电压为________。

思考

通过基本测温电路将AD590 输出的电流转换为电压，AD590 的输出电压的毫伏数就代表着被测温度的热力学温度值（K），请思考如何利用AD590 集成温度传感器测量摄氏温度。

三、任务实施

1.认识AD590 集成温度传感器及其实验模块

本任务所使用的AD590 集成温度传感器如图3-43所示，配套使用的温度传感器实验模块同任务一。本任务的实施除了AD590 集成温度传感器和温度传感器实验模块，还要用到直流电压表、直流稳压电源、智能调节仪、Pt100热电阻、加热源、万用表、连接线等。

2.AD590 集成温度传感器测温原理

本实验仪采用电流输出型AD590 集成温度传感器，在一定温度下，相当于一个恒流源。因此不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有很好的线性特性。AD590 的灵敏度（标定系数）为1 μA／K，只需要一种＋4～＋30 V 电源（本实验用＋5 V），即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为传感器调理电路单元中R2＝100 Ω）即可实现电流到电压的转换，使用十分方便。

3.任务实施步骤

1）重复Pt100 温度控制实验任务一中任务实施步骤1）～2），从室温开始设置加热源的温度值。

2）将AD590 集成温度传感器插入加热源。当加热源温度达到50 ℃时，将AD590 集成温度传感器插入加热源另一个温度传感器插孔中。

3）差分放大器调零。参考任务一中任务实施步骤4）。

4）AD590 集成温度传感器测温。拿掉短路线，按图3-44接线，并将AD590 两端引线按插头颜色（一端红色，一端蓝色）插入温度传感器实验模块中（红色对应a，蓝色对应b），将R6 两端接到差动放大器的输入Ui，记下模块输出Uo2的电压值，改变温度源的温度，每隔5 ℃记下Uo2的输出值，直到温度升至120 ℃，并将实验结果填入表3-15中。

图3-43　AD590 集成温度传感器

图3-44　AD590 集成温度传感器测温电路接线图

表3-15　AD590 集成温度传感器输出电压与温度的关系

5）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

1）根据表3-15的实验数据绘制AD590 集成温度传感器输出电压与温度的关系（T-Uo2曲线），如图3-45所示。

图3-45　AD590 集成温度传感器T-Uo2曲线

2）根据表3-15记录的实验数据计算在此范围内集成温度传感器的非线性误差。

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表3-16。

表3-16　AD590 集成温度传感器温度测量评分表

四、任务拓展

集成温度传感器的测温原理是基于PN 结的温度特性，实验证明，在正向电流保持不变的情况下，半导体PN 结的正向导通电压与温度变化呈线性关系，所以利用PN 结也可以构成温度传感器，测温范围为-50～＋150 ℃。THSRZ-2 型传感器实验装置也配有PN 结温度传感器，请动手做一做，利用PN 结温度传感器测量加热源温度，并且与AD590 比较，哪种传感器测温更方便、实用。

1.仪器设备及器材

PN 结温度传感器、温度传感器实验模块、直流电压表、直流稳压电源、智能调节仪、Pt100 热电阻、加热源、万用表、连接线等。(www.xing528.com)

2.工作原理

在恒流供电的条件下，PN 结的正向压降几乎随温度的升高而线性下降，这就是PN 结温度传感器测温的根据。

3.实验步骤

1）认识PN 结温度传感器及其实验模块。本任务所使用的PN 结温度传感器如图3-46所示，配套使用的温度传感器实验模块（二）如图3-47所示。

2）重复Pt100 温度控制实验任务一中任务实施步骤1）～2），从室温开始设置加热源的温度值。

3）将PN 结温度传感器插入加热源。当加热源温度达到50 ℃时，将PN 结温度传感器插入加热源另一个温度传感器插孔中。

图3-46　PN 结温度传感器

图3-47　温度传感器实验模块（二）

4）PN 结温度传感器接线。按图3-48将PN 结温度传感器接入温度传感器实验模块（二），从实验台接15 V 直流稳压电源接至温度传感器实验模块（二）。温度传感器实验模块（二）的输出Uo 接实验台直流电压表，电压表选择20 V 挡。

5）PN 结温度传感器测温。打开实验台电源，改变智能调节仪的设定值，每隔5 ℃记下Uo 的输出值，直到温度升至120 ℃，并将实验结果填入表3-17中。

图3-48　PN 结温度传感器测温电路接线图

表3-17　PN 结温度传感器输出电压与温度的关系

6）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表3-18。

表3-18　PN 结温度传感器温度测量评分表

光纤温度传感器

光纤温度传感器是一种新型的测量温度的传感器，利用部分物质吸收的光谱随温度变化而变化的原理，分析光纤传输的光谱以了解实时温度，主要材料有光纤、光谱分析仪、透明晶体等，按照工作原理，光纤温度传感器可分为功能型和传输型两种。功能型光纤温度传感器利用光导纤维本身具有的某种敏感功能而使光纤起到测量温度的作用，主要包括分布式光纤温度传感器和光纤光栅温度传感器。传输型光纤温度传感器的光导纤维只起到传输光的作用，它是必须在光纤端面加装其他的敏感元件才能构成新型传感器的传输型传感器，主要有光纤荧光温度传感器。

1.分布式光纤温度传感器

如图3-49所示为分布式光纤温度传感器，通常用在检测空间温度分布的系统，其原理最早是在1981年由英国南安普顿大学发现的。激光在光纤传输中的反射光主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三部分。在激光通过光纤得到反射光的过程中，有一些参数对温度敏感，可通过检测得到温度值。基于拉曼散射（OTDR）的新分布式光纤传感器是目前的研究热点。

土耳其科学家Gunes Yilmaz 开发出了一种分布式光纤温度传感器，此传感器的温度分辨率是1 ℃，空间分辨率是1.23 m。在我国很多科研机构也展开了对分布式光纤温度传感器的研究，例如，中国计量大学1997年发明出煤矿温度检测的传感器系统，其检测温度为-49～150 ℃，温度分辨率为0.1 ℃。分布式光纤温度传感器非常适合于电力系统变电站高压电器的温度监测。

2.光纤光栅温度传感器

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的反射或透射的反射镜或滤波器。

光纤光栅传感器的工作原理是借助于某种装置将被测参量的变化转换为作用于光纤光栅上的应力或温度的变化，从而引起光纤光栅布拉格波长变化。由光纤光栅布拉格波长的变化测量出被测量的变化。即采用波长调制方式，将被测信息转化为特征波长的移动。实验测定，布拉格波长在1 550 nm 附近的温度响应为1×10 -2 nm／℃。光纤光栅温度传感器就是采用这个原理进行温度测量的。光纤光栅温度传感器如图3-50所示。

与一般的光纤温度传感器相比，光纤光栅温度传感器尺寸小，检测量是波长信息，因此不受光源稳定性、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，对环境干扰不敏感，且用波长编码，广泛应用于建筑、航天、石油化工、电力等行业。

图3-49　分布式光纤温度传感器

3.光纤荧光温度传感器

光纤荧光温度传感器是由多模光纤和在其顶部安装的荧光材料组成的，其工作原理建立在光致发光这一基本物理现象上，其实物如图3-51所示。荧光材料受到紫外线激发时发出荧光，其荧光强度与荧光材料的温度及激发光强度有关。对于某些荧光材料，在不同波长下的荧光发射具有不同的温度特性，且它们的荧光强度与激发光强度呈线性关系，所以发光强度的比值大小取决于激发光强度和材料的温度。

图3-50　光纤光栅温度传感器

图3-51　光纤荧光温度传感器

世界各国的高校都设计过此类传感器，例如，韩国汉城大学发现10 cm 的双掺杂光纤，在其915 nm 的地方所反射出的荧光强度所对应的温度指数是20～290 ℃；我国清华大学借用半导体GaAs 原料来吸收光，进而以光随温度改变的原理，研发出了温度范围是0～160 ℃的光纤荧光温度传感器。光纤荧光温度传感器适合应用于高电压、强电磁（EMI／RFI／EMP）等特殊工业环境中的温度监测。

光纤温度传感器研究的方向将是：进一步提高传感器的精度、可靠性；提高抗干扰能力、稳定性，并简化器件结构，降低成本。积极开展光纤温度传感器新应用领域的研究，扩大应用范围。此外重点开发具有特殊测温要求的温度传感器，特别是2 500 ℃以上和-250 ℃以下的超高温和超低温温度传感器，并将光纤技术和微处理器更紧密的结合，发展数字化、集成化和自动化的光纤温度传感器。