FDWTCD温度传感器特性综合实验仪说明书.docx
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FDWTCD温度传感器特性综合实验仪说明书
FD-WTC-D型
恒温控制温度传感器实验仪
说
明
书
上海复旦天欣科教仪器有限公司
中国上海
FD-WTC-D型恒温控制温度传感器实验仪
一．概述
温度传感器的特性测量和定标是大学普通物理热学实验和电磁学实验中的一个基本内容，是新的全国理工科物理实验教学大纲中一个重要实验。
为开设好此实验，由复旦大学物理实验教学中心和上海复旦天欣科教仪器有限公司协作，联合研制了采用DS18B20单线数字温度传感器为测量元件的新一代恒温控制仪。
新仪器与同类其它仪器相比，有以下四个优点：
1）传感器体积小;2）控温精度高;3）无污染及噪声（无水银污染且不用继电器）;4）设定温度和测量温度均用数字显示。
本实验仪器可用于各种温度传感器的特性测量和各种材料的电阻与温度关系特性测量实验，本仪器也可用于物理化学实验做恒温仪用，它是理工科大学普通物理实验必备重要实验装置之一。
二．用途
1.电流型集成温度传感器AD590的特性测量和应用:
（1）测量AD590输出电流和温度的关系，计算传感器灵敏度及
时传感器输出电流值。
（2）用AD590传感器,电阻箱,数字电压表和直流电源等设计并安装数字式摄氏温度计。
（3）测量集成温度传感器AD590在某恒定温度时的伏安特性曲线，求出AD590线性使用范围的最小电压
。
2.测量半导体热敏电阻阻值与温度的关系，求该半导体热敏电阻的经验公式。
3.热电阻等温度传感器的特性测量。
（PN结或热电阻用户自备）
三．仪器组成与技术指标
1.仪器组成
如图1所示，本机为有单片控制的智能式数字恒温控制仪、量程为0－19.999V四位半数字电压表、直流1.5V-12V稳压输出电源、可调式磁性搅拌器以及2000ml烧杯、加热器、玻璃管（内放变压器油和被测集成温度传感器）等组成。
图1
2.技术指标：
A.温控仪
（1）温度计显示工作温度：
0℃－100℃
（2）恒温控制温度：
室温－80oC
（3）控制恒温显示分辨精度：
≤±0.1℃
B.直流数字电压表
（1）量程：
0－19.999V
（2）读数准确度：
量程0.03%±5个字
（3）输出电阻：
20Ω（为了防止长时间短路内接电阻）
C.温度传感器DS18B20的结构与技术特性（控温及测温用）：
（1）温度测量范围：
-55℃－125℃
（2）测温分辨率：
0.0625℃
（3）引脚排列（如图2所示）：
1（GND）：
地
2（DQ）：
单线运用的数据输入输出引脚
3（VDD）：
可选的电源引脚
图2
（4）封装形式：
TO-92
详细应用请参阅相关资料
D.待测温度传感器AD590技术特性：
（1）工作温度：
—55℃—150℃
（2）工作电压：
4.5V—24V
（3）灵敏度：
1μA/℃，线性元件
（4）0℃时输出电流约273μA
E.加热器：
（1）工作电压：
交流10V—150V
（2）工作电流：
交流最大1.5A
四.仪器使用方法
1.使用前将电位器调节旋钮逆时针方向旋到底，把接有DS18B20传感器接线端插头插
在后面的插座上，DS18B20测温端放入注有少量油的玻璃管内（直径16mm）；在2000ml大烧杯内注入1600ml的净水，放入搅拌器和加热器后盖上铝盖并固定。
2.接通电源后待温度显示值出现“B==.=”时可按“升温”键，设定用户所需的温
度，再按“确定”键，加热指示灯发光，表示加热开始工作，同时显示“A==.=”为当时水槽的初始温度，再按“确定”键显示“B==.=”表示原设定值，重复确定键可轮换显示A、B值；A为水温值，B设定值，另有“恢复”键可以重新开始。
五.注意事项
1.AD590集成温度传感器的正负极性不能接错，红线表示接线电源正极。
2.AD590集成温度传感器不能直接放入水中或冰水混合物中测量温度，若测量水温或冰水混合物温度，须插入到加有少量油的玻璃的玻璃细管内，再插入待测温物测温。
3.搅拌器转速不宜太快，若转速太快或磁性转子不在中心，有可能转子离开旋转磁场位置而停止工作，这时须将调节马达转速电位器逆时针调至最小，让磁性转子回到磁场中，再旋转。
4.热敏电阻的工作电流应小于300μA,防止自热引入误差，实验时，直流电源调节旋钮可反时针调到底。
用数字电压表测得电源为1.5V方可使用。
5.2000ml烧杯的底部必须平整，更换大烧杯时请注意。
5.倒去烧杯中水时，注意应先取出磁性浮子保管好，以避免遗失。
集成电路温度传感器的特性测量及应用
（复旦大学物理教学实验中心提供）
随着科技的发展，各种新型的集成电路温度传感器器件不断涌现，并大批量生产和扩大应用。
这类集成电路测温器件有以下几个优点：
（1）温度变化引起输出量的变化呈现良好的线性关系；
（2）不像热电偶那样需要参考点；（3）抗干扰能力强；（4）互换性好，使用简单方便。
因此，这类传感器已在科学研究、工业和家用电器温度传感器等方面被广泛使用于温度的精确测量和控制。
本实验要求测量电流型集成电路温度传感器的输出电流与温度的关系，熟悉该传感器的基本特性，并采用非平衡电桥法，组装成为一台0－50oC数字式温度计。
A.实验原理
AD590集成电路温度传感器是由多个参数相同的三极管和电阻组成。
该器件的两端当加有某一定直流工作电压时（一般工作电压可在4.5V－20V范围内），它的输出电流与温度满足如下关系：
I=Bθ+A
式中，I为其输出电流，单位μA，θ为摄氏温度，B为斜率（一般AD590的B=1μA/oC,即如果该温度传感器的温度升高或降低1oC，那传感器的输出电流增加或减少1μA），A为摄氏零度时的电流值，其值恰好与冰点的热力学温度273K相对应。
（对市售一般AD590，其A值从273－278μA略有差异。
）利用AD590集成电路温度传感器的上述特性，可以制成各种用途的温度计。
采用非平衡电桥线路，可以制作一台数字式摄氏温度计，即AD590器件在0oC时，数字电压显示值为“0”，而当AD590器件处于θoC时，数字电压表显示值为“θ”。
B.实验仪器
1.AD590电流型集成温度传感器
AD590为两端式集成电路温度传感器，它的管脚引出端有两个，如图4所示：
序号1接电源正端U+（红色引线）。
序号2接电源负端U-（黑色引线）。
至于序号3连接外壳，它可以接地，有时也可以不用。
AD590工作电压4－30V，通常工作电压6－15V，但不能小于4V，小于4V出现非线性。
2.FD-WTC-D型恒温控制温度传感器实验仪，0－50oC水银温度计等。
C.实验内容
必做内容：
AD590传感器温度特性测量及数字式温度计的设计。
1.按图5接线（AD590的正负极不能接错）。
测量AD590集成电路温度传感器的电流I与温度θ的关系，取样电阻R的阻值为1000Ω。
把实验数据用最小二乘法进行拟合，求斜率B截距A和相关系数г。
实验时应注意AD590温度传感器为二端铜线引出，为防止极间短路，两铜线不可直接放在水中，应用一端封闭的薄玻璃管套保护，其中注入少量变压油，使之有良好热传递。
（实验中如何保证AD590集成温度传感器与水银温度计处在同一温度位置）
2.制作量程为0－50oC范围的数字温度计。
把AD590、三只电阻箱、直流稳压电源及数字电压表按图6接好。
将AD590放入冰点槽中，R2和R3各取1000Ω，调节R4使数字电压表示值为零。
然后把AD590放入其他温度如室温的水中，用标准水银温度计进行读数对比，求出百分差。
（冰点槽中冰水混合物为湿冰霜状态才能真正达到0oC温度）
3.令图6中电源电压发生变化，如从8V变为10V，观测一下，AD590传感器输出电流有无变化？
分析其原因。
选做内容：
AD590传感器的输出电流和工作电压关系测量。
将AD590传感器处于恒定温度，将直流电源、AD590传感器、电阻箱、直流电压表等按图7接电路线。
调节电源输出电压从1.5V－10V，测量加在AD590传感器上的电压U与输出电流I（I=UR/R）的对应值，要求实验数据10点以上。
用坐标纸做AD590传感器输出电流I与工作电压U的关系图，求出该温度传感器输出电流与温度呈线性关系的最小工作电压Ur。
D.实验数据例
1.测量AD590传感器输出电流I和温度θ之间的关系。
求I-θ关系的经验公式。
表1AD590传感器温度特性测量
θ/oC
29.0
34.2
37.0
40.0
42.8
45.8
49.2
UR/V
3.036
3.086
3.112
3.143
3.168
3.196
3.239
I/μA
303.6
308.6
311.2
314.3
316.8
319.6
323.9
表1数据用Casio-3600计算器最小二乘法拟合得：
斜率B=0.987μA/oC；
截距A=274.8μA；
相关系数г=0.999
所以，I-θ关系为：
I=0.987θ+275
与灵敏度标准值B=1.000μA/oC相比百分误差为1.3%.
由于采用量程0－100oC（分度值1oC）普通水银温度计测量，所以测量值B的相对误差大些。
2.制作滠氏温度计
由于灵敏度小于1.000μA/oC,所以R2值取略大于1000Ω，
本实验取R2=R3=1.000mV/B=1.000/0.987=1012.9Ω.
将冰用刨冰机制成冰霜放入保温杯中压紧，并用玻璃管压1小洞。
将带玻璃管传感器浸入冰霜中，把仪器接成图6电桥电路。
调节R4，使θ=0oC时，数字电压表输出U=0mV。
用自制摄氏温度计测室温水温为28.7oC，而水银温度计读数为28.7oC.
3.测量AD590传感器的伏安特性
表2AD590传感器伏安特性测量θ=3.0oC，R=10000Ω
U
/V
1.326
1.589
1.736
2.065
2.342
2.456
2.533
2.680
2.713
2.880
3.010
3.252
3.440
3.643
4.100
UR
/V
0.200
0.777
1.130
1.795
2.306
2.495
2.616
2.770
2.775
2.760
2.759
2.759
2.760
2.760
2.760
I/μA
20.0
77.7
113.0
179.5
230.6
249.5
261.6
277.0
277.5
276.0
275.9
275.9
276.0
276.0
276.0
图8温度为θ=3.0oC时，AD590传感器伏安特性曲线
E.思考题
1.电流型集成电路温度传感器有哪些特性？
它比半导体热敏电阻、热电偶有哪些优点？
2.如何用AD590集成电路温度传感器制作一个热力学温度计，请画出电路图，说明调节方法。
3.如果AD590集成电路温度传感器的灵敏度不是严格的1.000μA/oC，而是略有异差，请考虑如何利用改变R2的值，使数字式温度计测量误差减少。
热敏电阻器的电阻温度特性测量
（复旦大学物理教学实验中心提供）
热敏电阻通常是用半导体材料制成的，他的电阻随温度变化而急剧变化。
热敏电阻分为负温度系数（NTC）热敏电阻和正温度系数（PTC）热敏电阻两种。
NTC热敏电阻的体积很小，其阻值随温度变化比金属电阻要灵敏得多，因此，它被广泛用于温度测量、温度控制以及电路中的温度补偿、时间延迟等。
PTC热敏电阻分为陶瓷PTC热敏电阻及有机材料PTC热敏电阻两类。
PTC热敏电阻是20世纪80年代初发展起来的一种新型材料电阻器，它的特点是存在一个“突变点温度”，当这种材料的温度超过突变点温度时，其阻值可急剧增加5-6个数量级，（例如由101Ω急增到107Ω以上），因而具有极其广泛的应用价值。
近年来，我国在PTC热敏电阻器件开发与应用方面有了很大发展，陶瓷PTC热敏电阻由于其工作功率较大及耐高温性好，已被应用于工业机械、冰箱等作电流过载保护，并可替代镍铬电热丝作恒温加热器和控温电路，用于自热式电蚊香加热器、新型自动控温烘干机、各种电加热器等一系列安全可靠的家用电器；而有机材料PTC的热敏电阻具有动作时间短、体积小、阻值低等特点，现已被用于国内电话程控交换机、便携式电脑、手提式无绳电话等高科技领域作过载保护，应用范围很广。
本实验用温度计和直流电桥测定热敏电阻器与温度的关系。
要求掌握NTC热敏电阻器的阻值与温度的关系特性、并学会通过数据处理来求得经验公式的方法。
A.实验原理
1.负温度系数热敏电阻器的电阻-温度特性
NTC热敏电阻通常由Mg、Ni、Cr、Co、Fe、Cu等金属氧化物中的2-3种均匀混合压制后，在600-1500oC温度下烧结而成，由这类金属氧化物半导体制成的热敏电阻，具有很大的负温度系数。
在一定的温度范围内，NTC热敏电阻的阻值与温度关系满足下列经验公式：
（1）
式中，R为该热敏电阻在热力学温度T时的电阻值，R0为热敏电阻处于热力学温度T0时的阻值。
B是材料常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的范围内，B是常数。
由
（1）式可求得,NTC热敏电阻在热力学温度T0时的电阻温度系数
（2）
由
（2）式可知，NTC热敏电阻的电阻温度系数是热力学温度的平方有关的量，在不同温度下，
值不相同。
对
（1）式两边取对数，得
在一定温度范围内，lnR与
成线性关系,可以用作图法或最小二乘法求得斜率B的值。
并由
（2）式求得某一温度时NTC热敏电阻的电阻温度系数
。
2.正温度系数热敏电阻器的电阻-温度特性
PTC热敏电阻具有独特的电阻-温度特性，这一性质是由于其微观结构决定的。
当温度升高超过PTC热敏电阻突变点温度时，其材料结构发生了突变，它的电阻值有明显变化，可以从101Ω变化到107Ω,PTC热敏电阻的温度大于突变点温度时的阻值随温度变化符合如下经验公式：
（3）
其中，T为样品的热力学温度，T0为初始温度，R为样品在温度T时的电阻值，R0为样品在温度T0时的电阻值，A的值在某一范围内近似为常数。
对陶瓷PTC热敏电阻，在小于突变点温度时，电阻与温度关系满足
（1）式，为负温度系数性质，在大于突变点温度时，满足（3）式，为正温度系数热敏电阻，此突变点温度常称为居里点。
而对有机材料PTC热敏电阻，在突变点温度上下均为正温度系数性质，但是其常数A也在突变点发生了突变，即A值在温度高于突变点后明显激增。
B.实验装置
本实验器材包恒温器、搅拌器、温度计、热敏电阻、小试管、电阻箱三只、干电池一节、检流计等。
热敏电阻放置在可变温度的恒温器中，用温度计测量温度。
将电阻箱、干电池、检流计用连接线接成电桥，测出热敏电阻的阻值。
图9实验装置简图
C.实验内容
必做部分：
测量NTC热敏电阻器的电阻与温度关系特性，计算热敏电阻材料常数B.
1.把NTC热敏电阻和玻璃温度计一起插在盛有变压器油的玻璃小试管内，试管置于盛有水的可控恒温槽中，当NTC热敏电阻、玻璃温度计和水温达到平衡时，用玻璃温度计测出NTC热敏电阻的温度θ，用图9所示的电路测量NTC热敏电阻的阻值R0（注意：
热敏电阻的电流应小于300μA,避免热敏电阻自己发热对实验测量的影响。
此时直流电桥臂往往不能严格取1:
1比例，直流电源最大取1.5V）
2.先测出室温时（将NTC热敏电阻和温度计等插入室温水中）温度θ和NTC热敏电阻阻值R0.然后逐步增加恒温槽温度，每当温度达到稳定时，测量相应的一组θi与Ri的值.要求温度从70oC范围内测出8~10组数据.用公式T=273.15+θ，将摄氏温度θ换算成热力学温度T.
3.用最小二乘法求出温度在室温70oC范围内的材料常数B.
4.用公式
（2）计算NTC热敏电阻在温度θ=50.0oC时的电阻温度系数.
选做部分：
测量热敏电阻器的电阻与温度特性，求经验公式和突出变点温度.
1.陶瓷PTC热敏电阻特性测量.
（a）待测样品取用电蚊香加热用圆型陶瓷片，两面涂银，并用磷铜皮夹紧固定.
（b）把待测样品放置在可调温度恒温炉中，采用铜-康铜热电偶测温，用直流电桥测量陶瓷PTC热敏电阻的阻值，当温度超过突变点（居里点）温度时，温度变化引起阻值变化过快，可采用数字万用表的电阻挡测量电阻.
（c）作电阻R与热力学温度T的关系图，求得陶瓷PTC热敏电阻突变点温度Tr.
2.有机材料PTC热敏电阻特性测量
（a）待测样品取用电器及马达等过载保护用的有机材料PTC热敏电阻.
（b）把待测样品放在可调温度恒温炉中，用铜-康铜热电偶测温，用直流电桥测电阻.
（c）用半对数坐标纸作有机材料PTC热敏电阻的阻值R与热力学温度T的关系图，求该材料的突变点温度Tr
D.思考题
1.在实验测量时流过NTC热敏电阻的电流应小于300μA，为什么？
如何保证此实验条件的实现？
如果电源，电压为1.5V，在室温时，桥臂怎么取？
2.若玻璃温度计的温度示值与实际温度有所差异，对实验结果有什么影响？
应如何保证所测的温度值准确？
3.PTC热敏电阻与NTC热敏电阻在电阻温度特性方面有哪些区别？
它们各有哪些应用？
4.根据PTC热敏电阻的电阻温度特性，你能开发该材料哪些新的应用？
5.能否用伏安法测量NTC热敏电阻的电阻值？
如果可以请画出测量电路图.
E.实验数据例
电桥臂RA、RB是规格为0.1级0-9999Ω的电阻箱，调节电阻Rs为0.1级0-9999.9Ω的电阻箱，电源为1.5V.在室温至70oC范围内，电阻值大于9000Ω.所以满足RT+Rs≥5000Ω,即通过RT热敏电阻电流小于300μA要求.
表3热敏电阻的阻值和温度关系数据
序号
RT/Ω
T/K
0
1163×10
9.3613
297.65
3.3597
0
1
9486
9.1576
303.58
3.2940
-0.0657
2
7324
8.8989
311.85
3.2067
-0.1530
3
5184
8.5533
323.40
3.0921
-0.2676
4
3747
8.2287
335.44
2.9812
-0.3785
5
2565
7.8497
348.26
2.8714
-0.4883
用Casio-3600计算器对
作最小二乘法数据处理，可得B=3.070×103K，lnR0=9.369.
R0=1171×10Ω.相关系数r=0.9995
所以，经验公式为：
若用该热敏电阻测量某温度，只须测得此时的阻值，即能由上式算得温度，或由
的关系图曲线图上查得温度.
附录
用二等标准水银温度校准本仪器温度测定仪示值
实验时间：
2004年12月6日上午；地点：
上海复旦天欣科教仪器公司技术科.
室温：
13.80oC.瓶（大烧杯）内放2000ml纯水。
试管内放5cm高变压器油。
表4比较法对仪器温度计示值进行校准
温度计
设定
二等标准水银温度计
仪器温度示值/oC
修正值/oC
设定温度/oC
示值/oC
露出/oC
露出段平
均温度/oC
*证书上
修正值/oC
△θ/oC
实际温
度/oC
数字测温仪读数/oC
未设定
13.80
全浸
0
13.80
13.6
-0.20
20.0
21.30
31.0
14.2
-0.04
0.04
21.29
21.0
-0.29
30.0
31.31
41.0
15.5
-0.05
0.10
31.35
30.0
-0.35
40.0
41.10
51.0
17.2
-0.02
0.20
41.09
40.9
-0.19
50.0
50.64
61.0
16.9
-0.02
0.33
50.94
50.7
-0.24
全浸式水银温度计在特殊情况下无法全浸时，按下式对示值修正：
式中，
为修正值；r为该温度视体膨胀系数r=1.6×10-4;n为露出液柱的度数；
主温度所示度数；
为辅助温度计所示度数。
例：
表4中水银温度计示值θ=21.30oC.露出段修正值计算：
*证书上本标准水银温度零度修正值=-0.01oC。
实际温度=21.30+0.04+（-0.04）+（－0.01）=21.29oC
表4中证书修正值是出厂证书。
仪器温度示值-修正值=实际温度
表5恒温仪升温至最高温度至稳定温度记录
时刻t/s
仪器示值θ/oC
时刻t/s
仪器示值θ/oC
10时
20
21.9（最高温度）
10时
35
21.0
23
21.6
40
21.0
25
21.5
45
21.0
27
21.4
50
21.0
29
21.3
11时
00
21.0
31
21.2
05
21.0
33
21.1
10
21.0
由表4和表5测量数据，可以得以下结论：
1.恒温槽使用必须满足：
a.水一定要放满大瓶中.即放水（纯水）至2000ml.水少了，应该添水。
b.试管放的油约4cm－5cm为宜。
待测样品控温传感器和标准温度计测温端必须放置在同一位置（邻近）.
2.本仪器温度示值与标准水银温度计测量同一温度的偏差约小于0.4oC,经比较测量后，可以用本仪器温度示值作为温度读数，但须给学生一个修正表。
以便读数值减修正值得更正确测温值。
在二个指定温度间的修正值一般用线性插入法修正。
3.如何确定试管内油与瓶内热水达到热平衡（温度恒定）：
从表5数据可知，一般在较快速度搅拌的情况下，在达到升温至最高温度时，再经过15分钟，可以达到系统的热平衡。
4.本仪器一般实验时采用升温改变实验测量点，而不用降温的办法，最好用清洁纯水，这样实验将相当顺利，实验效果好且实验管理相当方便。
上海复旦天欣科教仪器有限公司
FD-WTC-D型恒温控制温度传感器实验仪
装箱清单
您购买的产品与装箱清单是否符合，请验收：
序号
名称
单位
数量
备注
1
主机
个
1
2
2000ml大烧杯
个
1
作恒温槽用
3
磁性转子
只
1
4
加热器
只
1
5
Φ16mm玻璃管
根
1
6
AD590集成温度传感器及连接线
付
1
7
铝盖板
块
1
8
电源线
根
1
9
负温度系数热敏电阻
只
1
10
产品说明书
本
1
11
合格证书
个
1
温度传感器特性测定
（恒温控制仪）
仪器概述
温度传感器的特性测量和定标是大学普通物理热学实验和电磁学实验中的一个基本实验，是新的全国理工科物理实验教学大纲中一个重要实验内容。
为开设好此实验，由复旦大学物理实验教学中心和上海复旦天欣科教仪器有限公司协作，联合研制了采用AD590集成温度传感器为测量元件新一代恒温控制仪。
新仪器与同类其他仪器相比，有以下四个优点：
1）传感器体积小；2）控温精度高；3）无污染（水银导电表破裂有水银污染问题）及噪声（不用继电器）；4）设定温度和实际温度均用数字显示。
本实验仪器可用于各种温度传感器的特性测量和各种材料的电阻与温度关系特性测量等，本仪器
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