集成温度传感器及光电二极管和光敏电阻的特性研究.docx

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集成温度传感器及光电二极管和光敏电阻的特性研究

集成温度传感器及光电二极管和光敏电阻的特性研究

集成温度传感器的特性

摘要:

集成温度传感器的基本原理、性能与应用

关键词：

AD590，温度模块，温敏晶体管

Abstract:

ananalysisonthesizeandstructureofthecalorimeterandtheapplicationintemperaturemeasurementandcontrol

KeyWords:

thecircuitryofAD590ICtemperaturesensor，temperaturetransistortemperaturemodule，

一、概述

温度传感器的应用范围很广，它不仅广泛应用于日常生活中，而且也大量应用于自动化和过程检测控制系统。

温度传感器的种类很多，根据现场使用条件，选择恰当的传感器类型才能保证测量的准确可靠，并同时达到增加使用寿命和降低成本的目的。

在-50-150℃温度范围内，AD590输出电流与温度呈线性关系，与常用的水银温度计、热电偶温度计相比，它具有灵敏度高、消除电源波动性的特性，因此广泛应用与各种精度较高的温度测量。

二、实验原理：

集成温度传感器将温敏晶体管与相应的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的理想线性输出，一般用于-55℃~±150℃之间的温度测量。

温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时，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电压产生时的离散性，采用了特殊的差分电路。

集成温度传感器具有电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定的温度T时相当于一个恒流源。

因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有很好的线性特性。

本实验采用国产的AD590，它只需要一种电源（4~30V）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，即可实现电流到电压的转换。

它使用方便，并且电流型比电压型的测量精度高。

图1（a）是AD590的封装形式，图1（b）是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路

三、实验步骤：

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的恒流加热电源输出与温度模块中的恒流输入连接起来。

2、将温度模块中的温控Pt100与主控箱的Pt100输入连接起来。

3、将温度模块中左上角的AD590接到a、b上（正端接a，负端接b），再将b、d连接起来。

4、将主控箱的+5V电源接入a和地之间。

5、将d和地与主控箱的电压表输入端相连（即测量1K电阻两端的电压）。

6、开启主电源，将温度控制器的SV窗口设定为50℃（设置方法见附录2），以后每隔5℃设定一次，即

，读取数显表值，将结果填入下表。

四、数据记录与数据处理

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

利用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）;

holdon;

gridon;

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、实验中应注意的事项：

1、加热器温度不能太高，控制在120℃以下，否则将可能损坏加热器。

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的+、-端接反，因为反向电压输出数值是错误的，而且可能击穿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，而且精确度高、互换性好、应用简单方便，因此，可把输出的电信号经AD卡转换为数字信号，由计算机采集Vi-t的数据，以发挥其实时和准确的特点。

把AD590用于改进一部分物理实验，如空气比热容比的测量、金属比热容的测量及液氮汽化热的测量等，都可取得良好的效果。

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、将不同测温点上的数个AD590相串联，可测出所有测量点上的温度最低值

光电二极管和光敏电阻特性的研究

摘要:

研究硅光电池和光敏电阻的特性曲线

关键词:

光电二极管，光敏电阻，硅光电池

Abstract：

Inthisexperiment，wewillresearchthePhotoelectricdiodeandphotoconductiveresistancepropertiesandapplications

Keywords：

Photoelectricdiode，photoconductiveresistance，siliconphotocell

一、概述

光敏传感器是将光信号转换为电信号的传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接引起光强度变化的非电量，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的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。

光敏传感器具有非接触、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

光敏传感器的物理基础是光电效应，在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

电子并不逸出材料表面的则是内光电效应。

光电导效应、光生伏特效应则属于内光电效应。

即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。

光电效应通常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的传感器都是此类，通常有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等。

1光电二极管

光电二极管是利用PN结单向导电性的结型光电器件，结构与一般二极管类似。

PN结安装在管的顶部，便于接受光照。

外壳上有以透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上，为了获得尽可能大的光生电流，PN结的面积比一般二极管要大。

为了光电转换效率高，PN结的深度比一般二极管浅。

光电二极管可工作在两种状态。

大多数情况下工作在反向偏压状态。

在这种情况下，当无光照时，处于反偏的二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流，即暗电流。

反向电流小的原因是在PN结中，P型中的电子和N型中的空穴（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，吸收其能量而产生电子空穴对，使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，在外加反偏电压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成了光电流，反向电流随光照强度增加而增加。

另一种工作状态是在光电二极管上不加电压，利用PN结受光照强度增加而增加。

N结受光照时产生正向电压的原理，将其作为微型光电池用。

这种工作状态一般用作光电检测。

光电二极管常用的材料有硅、锗、锑化铟、砷化铟等，使用最广泛的是硅、锗光电二极管。

光电二极管具有响应速度快、精巧、坚固、良好的温度稳定性和低工作电压的优点，因而得到了广泛的应用。

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

光敏电阻是利用光的入射引起半导体电阻的变化来进行工作的。

光敏电阻的工作原理是基于光电导效应：

在无光照时，光敏电阻具有很高的阻值；在有光照时，当光电子的能量大于材料禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子—空穴对，使电阻降低，光线愈强，激发出的电子—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。

制作光敏电阻的材料常用硫化镉（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的薄层，所以一般都把半导体材料制成薄膜，并赋予适当的电阻值，电极构造通常做成梳形，这样，光敏电阻与电极之间的距离短，载流子通过电极的时间少，而材料的载流子寿命cTcτ又较长，于是就有很高的内部增益G，从而获得很高的灵敏度。

光敏电阻具有灵敏度高，光谱响应范围宽，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。

光敏电阻的阻值R和光的强度呈现强烈的非线性。

三实验器件与单元

光电模块，主控箱，万用表，0~20mA恒流源。

四、实验内容与步骤

1、将主控箱的0~20mA恒流源调节到最小。

2、把0~20mA恒流源的输出和光电模块上的恒流输入连接起来，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，填入下列相应的表格，光电二极管的强度指示在光电模块的右边数显上。

3.2、光敏电阻实验：

由于光敏电阻光较弱时变化较大，所以在0~2mA之间，每隔0.5mA记录一次，以后每隔2mA做一次实验，测得的数据填入下列相应表格。

光敏电阻的大小用万用表测量光电模块上的光敏电阻输出端。

五、数据记录与处理

（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处理数据，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=2.0345X-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的正负端和光电模块上的正负端对应接好，否则，光发送端将不能发光。

七、总结和提高

光敏电阻的应用:

1通过光照的改变,改变光敏电阻的组织,使其改变分压,从而改变灯的亮度,这是一种光敏电阻调光电路。

2下左图是一种简单的暗激发继电器开关电路。

其工作原理是:

当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通,VT2的激励电流使继电器工作,常开触点闭合,常闭触点断开,实现对外电路的控制。

3下右图是一种精密的暗激发时滞继电器开关电路。

其工作原理是:

当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升使运放IC的反相端电位升高,其输出激发VT导通,VT的激励电流使继电器工作,常开触合,常闭触点断开,实现对外电路的控制。

4光敏电阻在常见路灯里的应用。

原理:

晚上光线很暗,CdS光敏电阻阻值很大,流过继电器的电流很小,使继电器不动作,路灯接通电源点亮。

早上,天渐渐变亮,即照度逐渐增大,CdS光敏电阻受光照后,阻值变小,流过继电器的电流逐渐增大,当照度达到一定值时,流过继电器的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光信号的强弱2硅光电池的灵敏度3硅光电池与光信号的线性关系