集成温度传感器及光电二极管和光敏电阻的特性研究应用.doc

集成温度传感器及光电二极管和光敏电阻特性研究
集成温度传感器特性
摘要:集成温度传感器基本原理、性能与应用
核心词：AD590，温度模块，温敏晶体管
Abstract:an analysis on the size and structure of the calorimeter and the application in temperature measurement and control
Key Words：the circuitry of AD590 IC temperature sensor ，temperature transistor temperature module，
一、概述
温度传感器应用范畴很广，它不但广泛应用于寻常生活中，并且也大量应用于自动化和过程检测控制系统。温度传感器种类诸多，依照现场使用条件，选取恰当传感器类型才干保证测量精确可靠，并同步达到增长使用寿命和减少成本目。
在-50-150℃温度范畴内，AD590 输出电流与温度呈线性关系，与惯用水银温度计、热电偶温度计相比，它具备敏捷度高、消除电源波动性特性，因而广泛应用与各种精度较高温度测量。
二、实验原理：
集成温度传感器将温敏晶体管与相应辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度抱负线性输出，普通用于-55℃~±150℃之间温度测量。温敏晶体管在管子集电极电流恒定期，其基极发射极电压与温度成线性关系，为克服温敏晶体管vb电压产生时离散性，采用了特殊差分电路。集成温度传感器具备电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定温度T时相称于一种恒流源。因而，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音干扰，具备较好线性特性。
本实验采用国产AD590，它只需要一种电源（4~30V）即可实现温度到电流线性变换，然后在终端使用一只取样电阻，即可实现电流到电压转换。它使用以便，并且电流型比电压型测量精度高。
图1（a）是AD590封装形式，图1（b）是AD590用于测量热力学温度基本应用电路

三、实验环节：
1、将主控箱上总电源关闭，把主控箱中温度检测与控制单元中恒流加热电源输出与温度模块中恒流输入连接起来。
2、将温度模块中温控Pt100与主控箱Pt100输入连接起来。
3、将温度模块中左上角AD590接到a、b上（正端接a，负端接b），再将b、d连接起来。
4、将主控箱+5V电源接入a和地之间。
5、将d和地与主控箱电压表输入端相连（即测量1K电阻两端电压）。
6、启动主电源，将温度控制器SV窗口设定为50℃（设立办法见附录2），后来每隔5℃设定一次，即，读取数显表值，将成果填入下表。
四、数据记录与数据解决
T(℃)
50
55
60
65
70
75
80
V(V)
0.323
0.329
0.334
0.339
0.345
0.350
0.355

85
90
95
100
0.361
0.366
0.371
0.376

运用matlab对数据绘图并进行拟合

求出非线性误差为0.93%

Matlab 编程语言
代码1
x=[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);
hold on;
grid on;
plot(x,y,'--r');
plot(x,M,'-b');
代码2
x=[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-M;
r=max(R);
VF=r/(0.376-0.323);
五、实验中应注意事项：
1、加热器温度不能太高，控制在120℃如下，否则将也许损坏加热器。
2、采用放大电路测量时注意要调零。
3、在测量AD590时，不要将AD590+、-端接反，由于反向电压输出数值是错误，并且也许击穿AD590。
六、总结与提高
AD590温度传感器不但实现了温度转换为线性化电量测量，并且精准度高、互换性好、应用简朴以便，因而，可把输出电信号经AD卡转换为数字信号，由计算机采集Vi-t数据，以发挥其实时和精确特点。把AD590用于改进一某些物理实验，如空气比热容比测量、金属比热容测量及液氮汽化热测量等，都可获得良好效果。
应用举例
1、摄氏温度测量电路

2、温差测量电路及其应用

3、将不同测温点上数个AD590相串联，可测出所有测量点上温度最低值

光电二极管和光敏电阻特性研究
摘要:研究硅光电池和光敏电阻特性曲线
核心词:光电二极管 ，光敏电阻，硅光电池
Abstract：In this experiment， we will research the Photoelectric diode and photoconductive resistance properties and applications
Key words：Photoelectric diode， photoconductive resistance ，silicon photocell
一、概述
光敏传感器是将光信号转换为电信号传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接引起光强度变化非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态辨认等。光敏传感器具备非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。

二、基本原理
光敏传感器物理基本是光电效应，在光辐射作用下电子逸出材料表面，产生光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应，基于这种效应光电器件有光电管、光电倍增管等。电子并不逸出材料表面则是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应则属于内光电效应。即半导体材料许多电学特性都因受到光照射而发生变化。光电效应普通分为外光电效应和内光电效应两大类，几乎大多数光电控制应用传感器都是此类，普通有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等。
1 光电二极管
光电二极管是运用PN结单向导电性结型光电器件，构造与普通二极管类似。PN结安装在管顶部，便于接受光照。外壳上有以透镜制成窗口以使光线集中在敏感面上，为了获得尽量大光生电流，PN结面积比普通二极管要大。为了光电转换效率高，PN结深度比普通二极管浅。光电二极管可工作在两种状态。大多数状况下工作在反向偏压状态。在这种状况下，当无光照时，处在反偏二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压作用下，渡越阻挡层形成微小反向电流，即暗电流。反向电流小因素是在PN结中，P型中电子和N型中空穴（少数载流子）很少。当光照射在PN结上时，PN结附近受光子轰击，吸取其能量而产生电子空穴对，使P区和N区少数载流子浓度大大增长，在外加反偏电压和内电场作用下，P区少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结反向电流大为增长，形成了光电流，反向电流随光照强度增长而增长。另一种工作状态是在光电二极管上不加电压，运用PN结受光照强度增长而增长。N结受光照时产生正向电压原理，将其作为微型光电池用。这种工作状态普通用作光电检测。光电二极管惯用材料有硅、锗、锑化铟、砷化铟等，使用最广泛是硅、锗光电二极管。光电二极管具备响应速度快、精致、结实、良好温度稳定性和低工作电压长处，因而得到了广泛应用。
图为光电流信号转换电路，Vo=IpR，Ip为光电流，R是反馈电阻。

2 光敏电阻
光敏电阻是运用光入射引起半导体电阻变化来进行工作。光敏电阻工作原理是基于光电导效应：在无光照时，光敏电阻具备很高阻值；在有光照时，当光电子能量不不大于材料禁带宽度，价带中电子吸取光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电电子—空穴对，使电阻减少，光线愈强，激发出电子—空穴对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电能力下降，电阻恢复原值。制作光敏电阻材料惯用硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、硫化铅（PbSe）锑化铟（InSb）等。
由于光导效应只限于光照表面薄层，因此普通都把半导体材料制成薄膜，并赋予恰当电阻值，电极构造普通做成梳形，这样，光敏电阻与电极之间距离短，载流子通过电极时间少，而材料载流子寿命cTcτ又较长，于是就有很高内部增益G，从而获得很高敏捷度。光敏电阻具备敏捷度高，光谱响应范畴宽，重量轻，机械强度高，耐冲击，抗过载能力强，耗散功率大，以及寿命长等特点。光敏电阻阻值R和光强度呈现强烈非线性。
三 实验器件与单元
光电模块，主控箱，万用表，0~20mA恒流源。
四、实验内容与环节
1、将主控箱0~20mA恒流源调节到最小。
2、把0~20mA恒流源输出和光电模块上恒流输入连接起来，以驱动LED光源。
3.1、硅光电池实验：将恒流源从0开始每隔2mA记录一次，填入下列相应表格，光电二极管强度批示在光电模块右边数显上。
3.2、光敏电阻实验：由于光敏电阻光较弱时变化较大，因此在0~2mA之间，每隔0.5mA记录一次，后来每隔2mA做一次实验，测得数据填入下列相应表格。光敏电阻大小用万用表测量光电模块上光敏电阻输出端。
五、数据记录与解决
（1）光电二极管：
I(mA)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
V(mV)
0
3.6
7.7
11.8
15.9
20.0
24.1
28.2
32.3
36.3
40.4

（2）光敏电阻：
I(mA)
0
0.5
1
1.5
2
4
6
R(kΩ)
1.3MΩ
8.81
5.21
3.91
3.22
2.08
1.64
I(mA)
8
10
12
14
16
18
20
R(kΩ)
1.39
1.23
1.12
1.04
0,97
0.91
0.87

用matlab解决数据，作图

硅光电池实验数据绘制图

硅光电池实验数据绘制图及其拟合图

K = 2.0345 -0.3182

硅光电池拟合直线方程：
Y= 2.0345 X -0.3182

得到非线性误差为 0.79%

光敏电阻曲线图

六、实验注意事项
注意要将主控箱上恒流输出正负端和光电模块上正负端相应接好，否则，光发送端将不能发光。

七、总结和提高
光敏电阻应用:
1通过光照变化,变化光敏电阻组织,使其变化分压,从而变化灯亮度,这是一种光敏电阻调光电路。
2下左图是一种简朴暗激发继电器开关电路。其工作原理是:当照度下降到设立值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1 导通,VT2 勉励电流使继电器工作,常开触点闭合,常闭触点断开,实现对外电路控制。
3下右图是一种精密暗激发时滞继电器开关电路。其工作原理是:当照度下降到设立值时由于光敏电阻阻值上升使运放IC反相端电位升高,其输出激发VT导通,VT勉励电流使继电器工作,常开触合,常闭触点断开,实现对外电路控制。
4光敏电阻在常用路灯里应用。

原理:晚上光线很暗,CdS 光敏电阻阻值很大,流过继电器电流很小,使继电器不动作,路灯接通电源点亮。早上,天徐徐变亮,即照度逐渐增大,CdS 光敏电阻受光照后,阻值变小,流过继电器电流逐渐增大,当照度达到一定值时,流过继电器电流足以使继电器动作,使其闭合.

当硅电池作为光探测器时应注意:
1光信号强弱 2硅光电池敏捷度 3硅光电池与光信号线性关系