實驗? 溫度測量與控制實驗

一、實驗目的

1、了解溫度是一個基本物理量，也是一個與人們的生活環(huán)境、生產(chǎn)活動密切相關的重要物理量。溫度的測量和控制技術應用十分廣泛。

2、? 解溫度傳感器的種類。

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

4、掌握本實驗所選用的半導體PN結溫度傳感器工作原理。

二、實驗要求與內(nèi)容

1、運用電子技術來實現(xiàn)溫度測量和控制任務，完成溫度測量和控制電路的連接和調(diào)試。

2、學會對電子電路的檢測和排除電路故障，進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、本次實驗所選用的傳感器為半導體傳感器。即測溫元件采用由半導體二極管構成的PN結傳感器。測量電路是通過電壓比較放大電路來實現(xiàn)溫度的檢測。控制電路也是通過兩個電壓比較電路來實現(xiàn)對兩個繼電器的控制。

4、測試電路中1—14點電壓及兩只三極管b、e、c電壓，說明測溫、控溫原理，完成實驗報告。

5、? 談實驗的收獲與體會。

三、實驗所用設備及元件

直流穩(wěn)壓電源（ ±5V ）；

萬用表；

水銀溫度計；

插接電路板、元器件等。

四、實驗參考電路圖??????????

五、實驗步驟

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，測量U1A的輸出電壓VO1 。通過測量可以發(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為定標電位器。

在室溫下調(diào)整W1，使U1B的輸出VO2為室溫時的電壓輸出（當量為10mV/℃）。將D1放入熱水（40--50℃）中，調(diào)整W2，使U1B的輸出VO2 正確。注意應反復調(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點的電位為300 mV（即設定的控制溫度上限為30度）；調(diào)整W4，使 b點的電位為200mV（即設定的控制溫度下限為20度），U1C和U1D分別控制繼電器J1和J2。

當溫度低于20℃時，VO4為高電平（約3.55V），紅色發(fā)光二極管亮，三極管T2飽和導通，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（給同學示范）。

當溫度高于30℃時，VO3為高電平（約3.55V），綠色發(fā)光二極管亮，三極管T1飽和導通，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（給同學示范）。

當溫度在設定溫度上下限（20度至30度）之間時，VO2值為（200mV—300mV）,使 VO3 、VO4均為負值（約-5V）, 紅色和綠色發(fā)光二極管全熄滅，此時兩只三極管均截止，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

為避免測溫二極管本身通電產(chǎn)生的溫度升高對測溫的影響，電路設計時注意不要使通過測溫元件的電流超過lmA。

六、思考題

1、電路中所用溫度傳感器有何特點？

2、指出本實驗電路的優(yōu)缺點，并提出對電路的改進意見。

附錄

1、PN結溫度傳感器：

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

PN結溫度傳感器是利用PN結的結電壓隨溫度成近似線性變化這一特性，可直接用半導體二極管或?qū)雽w三極管接成二極管(將集電極與基極短接)做成PN結溫度傳感器。這種傳感器測溫范圍為-50℃至150℃，有較好的線性度，尺寸小，響應快、靈敏度高、熱時間常數(shù)小的特點，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相同，其溫度特性也有較大差異，因而互換性差。現(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，其測溫范圍為-50℃～150℃，線性度達土0.3%。另外，由三個PN結構成的溫敏晶閘管，是一種新型的溫敏元件，主要用于溫度控制及過熱保護。

2、溫度與溫標

溫度不能直接加以測量，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量。

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

t90/oC= T90 /K-273.16

在實際應用中一般直接用t和T代替t90 和T90。

3、溫度測量的主要方法和分類

溫度傳感器的組成：現(xiàn)場的感溫元件和控制室的顯示裝置兩部分組成。

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

接觸式測溫是使測溫敏感元件和被測介質(zhì)接觸，當被測介質(zhì)與感溫元件達到熱平衡時，溫度感溫元件與被測介質(zhì)的溫度相等。這類溫度傳感器結構簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價格低、應用廣泛。

非接觸式測溫是應用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。可測高溫、腐蝕、有毒、運動物體和固體、液體表面的溫度，但精度低，使用不方便。