溫度測(cè)量與控制實(shí)驗(yàn)

1、了解溫度是一個(gè)基本物理量，也是一個(gè)與人們的生活環(huán)境、生產(chǎn)活動(dòng)密切相關(guān)的重要物理量。溫度的測(cè)量和控制技術(shù)應(yīng)用十分廣泛。

2、? 解溫度傳感器的種類。

3、了解檢測(cè)溫度的傳感器種類不同，采用的測(cè)量電路和要求不同，執(zhí)行器、開關(guān)等的控制方式也不同。

4、掌握本實(shí)驗(yàn)所選用的半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器工作原理。

二、實(shí)驗(yàn)要求與內(nèi)容

1、運(yùn)用電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量和控制任務(wù)，完成溫度測(cè)量和控制電路的連接和調(diào)試。

2、學(xué)會(huì)對(duì)電子電路的檢測(cè)和排除電路故障，進(jìn)一步熟悉常用電子儀器的使用，提高分析問題和解決問題的能力。

3、本次實(shí)驗(yàn)所選用的傳感器為半導(dǎo)體傳感器。即測(cè)溫元件采用由半導(dǎo)體二極管構(gòu)成的PN結(jié)傳感器。測(cè)量電路是通過電壓比較放大電路來實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)?？刂齐娐芬彩峭ㄟ^兩個(gè)電壓比較電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)繼電器的控制。

4、測(cè)試電路中1—14點(diǎn)電壓及兩只三極管b、e、c電壓，說明測(cè)溫、控溫原理，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

5、? 談實(shí)驗(yàn)的收獲與體會(huì)。

三、實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及元件

直流穩(wěn)壓電源（ ±5V ）；

萬用表；

水銀溫度計(jì)；

插接電路板、元器件等。

四、實(shí)驗(yàn)參考電路圖??????????

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、安裝U1A及外圍電路。D1二極管需要焊接二根長線，引出電路板。接好電路之后，檢查無誤，方可通電。給D1加熱，測(cè)量U1A的輸出電壓VO1 。通過測(cè)量可以發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，VO1降低。

2、安裝U1B及外圍電路。W1為調(diào)零電位器，W2為定標(biāo)電位器。

在室溫下調(diào)整W1，使U1B的輸出VO2為室溫時(shí)的電壓輸出（當(dāng)量為10mV/℃）。將D1放入熱水（40--50℃）中，調(diào)整W2，使U1B的輸出VO2 正確。注意應(yīng)反復(fù)調(diào)整W1、W2電位器，使VO2輸出正確。

3、安裝U1C和U1D及它們控制的繼電器。

調(diào)整W3，使a點(diǎn)的電位為300 mV（即設(shè)定的控制溫度上限為30度）；調(diào)整W4，使 b點(diǎn)的電位為200mV（即設(shè)定的控制溫度下限為20度），U1C和U1D分別控制繼電器J1和J2。

當(dāng)溫度低于20℃時(shí)，VO4為高電平（約3.55V），紅色發(fā)光二極管亮，三極管T2飽和導(dǎo)通，集電極C2為低電平（約0.1V—0.15V），使J2繼電器吸合，控制加熱器開始加熱（給同學(xué)示范）。

當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，VO3為高電平（約3.55V），綠色發(fā)光二極管亮，三極管T1飽和導(dǎo)通，集電極C1為低電平（約0.1V—0.15V），使J1繼電器吸合，控制制冷器開始制冷（給同學(xué)示范）。

當(dāng)溫度在設(shè)定溫度上下限（20度至30度）之間時(shí)，VO2值為（200mV—300mV）,使 VO3 、VO4均為負(fù)值（約-5V）, 紅色和綠色發(fā)光二極管全熄滅，此時(shí)兩只三極管均截止，集電極C1、C2均高電平（約+5V），J1、J2繼電器斷開，不加熱也不制冷。因此從以上不同的狀態(tài)顯示就可以知道溫度情況及溫度控制情況。

4、注意事項(xiàng)

為避免測(cè)溫二極管本身通電產(chǎn)生的溫度升高對(duì)測(cè)溫的影響，電路設(shè)計(jì)時(shí)注意不要使通過測(cè)溫元件的電流超過lmA。

六、思考題

1、電路中所用溫度傳感器有何特點(diǎn)？

2、指出本實(shí)驗(yàn)電路的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出對(duì)電路的改進(jìn)意見。

附錄

1、PN結(jié)溫度傳感器：

溫度傳感器是利用一些金屬、合金或半導(dǎo)體材料與溫度有關(guān)的特性制成，常用的有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)及集成溫度傳感器等。

PN結(jié)溫度傳感器是利用PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度成近似線性變化這一特性，可直接用半導(dǎo)體二極管或?qū)雽?dǎo)體三極管接成二極管(將集電極與基極短接)做成PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器測(cè)溫范圍為-50℃至150℃，有較好的線性度，尺寸小，響應(yīng)快、靈敏度高、熱時(shí)間常數(shù)小的特點(diǎn)，用途較廣。

可將普通二極管(如1N4148)或硅三極管用作溫度傳感器。

但普通二極管或三極管即使型號(hào)相同，其溫度特性也有較大差異，因而互換性差?，F(xiàn)已有專用的溫敏二極管和溫敏三極管產(chǎn)品供選用。如國產(chǎn)2DWM型溫敏二極管，外形封裝有珠型、管型、探針型等，其測(cè)溫范圍為-50℃～150℃，線性度達(dá)土0.3%。另外，由三個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的溫敏晶閘管，是一種新型的溫敏元件，主要用于溫度控制及過熱保護(hù)。

2、溫度與溫標(biāo)

溫度不能直接加以測(cè)量，只能借助于冷熱不同的物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質(zhì)隨著冷熱程度不同而變化的特性間接測(cè)量。

為了定量描述溫度的高低，必須建立溫度標(biāo)尺（溫標(biāo)），溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示。各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均有溫標(biāo)確定。國際溫標(biāo)是一個(gè)國際協(xié)議性溫標(biāo)。其規(guī)定仍以熱力學(xué)溫度作為基本溫度，1K等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。它同時(shí)定義國際開爾文溫度（符號(hào)T90）和國際攝氏溫度（符號(hào)t90）和之間的關(guān)系：

t90/oC= T90 /K-273.16

在實(shí)際應(yīng)用中一般直接用t和T代替t90 和T90。

3、溫度測(cè)量的主要方法和分類

溫度傳感器的組成：現(xiàn)場(chǎng)的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成。

溫度測(cè)量方法按感溫元件是否與被測(cè)介質(zhì)接觸分成接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類。

接觸式測(cè)溫是使測(cè)溫敏感元件和被測(cè)介質(zhì)接觸，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度感溫元件與被測(cè)介質(zhì)的溫度相等。這類溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低、應(yīng)用廣泛。

非接觸式測(cè)溫是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理?？蓽y(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體和固體、液體表面的溫度，但精度低，使用不方便。