半导体温度计设计Word文档下载推荐.docx

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热敏电阻是由对温度非常敏感的半导体陶瓷质工作体构成的元件。

与一般常用的金属电阻相比，它有大得多的电阻温度系数值。

热敏电阻作为温度传感器具有用料省、成本低、体积小等的优点，它可以简便灵敏地测量微小温度的变化，在很多科学研究领域都有广泛的应用。

本实验的目的是：

了解热敏电阻的电阻----温度特性及测温原理，学习惠斯通电桥的原理及使用方法，学习坐标变换、曲线改直的技巧。

虽然热敏电阻对温度非常灵敏，但通常每个元件可适用的范围都不太宽，所以应根据所要测量的温度的上、下限和温度范围的高低选用具有合适阻值和B值的元件以及相应的测温电路。

元件的B值越高，其电阻温度系数越大，可测量的范围越窄。

表1给出了不同热敏电阻的适用范围和对应的B值。

表1不同热敏电阻的适用范围和对应的B值

适用的温度范围

对应的B值

T=23~173K

B=200~1000K

T=173~573K

B=1500~6000K

T=573~973K

B=8000~10000K

T>

973K

B>

10000K

由上表可知，测量低温采用B小的元件，测量高温采用B大的元件。

通常选用电阻值

，因为电阻值太小灵敏度低，电阻值太大则会引起电绝缘和测量线路匹配困难。

在各种热敏电阻的测温电路中，以分压电路和桥式电路的应用最广。

本实验要求测试温度在20~70℃的范围内，选用合适的热敏电阻和非平衡电桥线路（或选用你认为更好的测温电路）来设计一半导体温度计。

一、实验原理

半导体温度计就是利用半导体的电阻值随温度急剧变化的特性而制作的，以半导体热敏电阻为传感器，通过测量其电阻值来确定温度的仪器。

这种测量方法为非电量的电测法，它可以将各种非电量，如长度、位移、应力、应变、温度、光强等转变成电学量，如电阻、电压、电流、电感和电容等，然后用电学仪器来进行测量。

由于金属氧化物半导体的电阻值对温度的反应很灵敏（参见实验3.5.2），因此可以作为温敏传感器。

为实现非电量的电测法，采用电学仪器来测量热敏电阻的阻值，还需要了解热敏电阻的伏安特性。

由图3.5.3-1可知，在V-I曲线的起始部分，曲线接近线性，这是因为电流小时在热敏电阻上消耗的功率不足以显著地改变热敏电阻的温度，因而符合欧姆定律。

此时，热敏电阻的阻值主要与外界温度有关，电流的影响可以忽略不计。

半导体温度计测温电路的原理图如图3.5.3-2所示（仅供参考），图中Ｇ是微安计，RT为热敏电阻，当电桥平衡时，表的指示必为零，此时应满足条件

，若取R1=R2，则R3的数值即为RT的数值。

平衡后，若电桥某一臂的电阻又发生改变（如RT），则平衡将受到破坏，微安计中将有电流流过，若电桥电压，微安计内阻RG，电桥各臂电阻R1、R2、R3已定，就可以根据微安计的读数IG的大小计算出RT的大小来。

也就是说，微安计中的电流的大小直接反映了热敏电阻的阻值的大小，因此就可以利用这种“非平衡电桥”的电路原理来实现对温度的测量。

由上述可知，可由E、RG、R1G、R2确定IG和RT的关系，如何选定E和R1、R2、R3呢？

由电桥原理可知：

当热敏电阻的阻值在测温量程的下限RT1时，要求微安计的读数为零（即IG=0），此时电桥处于平衡状态，满足平衡条件。

若取R1=R2，则R3=RT1，即R3就是热敏电阻处在测温量程的下限温度时的电阻值，由此也就决定了R3的电阻值。

当温度增加时，热敏电阻的电阻值就会减小，电桥出现不平衡，在微安计中就有电流流过。

当热敏电阻处在测温量程的上限温度电阻值RT2时，要求微安计的读数为满刻度。

此时，流入微安计中的电流IG与加在电桥两端的电压VCD和R1、R2有关，由于选取起始状态（IG=0时）是对称电桥，即R1=R2，故IG只与VCD和RT2有关。

若流入热敏电阻RT中的电流IT比流入微安计内的电流IG大得多（即

），则加在电桥两端上的电压VCD近似有

（1）

根据所选定的热敏电阻的最大工作电流（当R3=RT2时），可由式

（1）确定供电电池的个数。

根据图3.4.3-2的电桥电路，由基尔霍夫方程组可以求出流入微安计的电流IG与VCD、R1、R2、R3、RT2的关系：

（2）

由于R1=R2、R3=RT1，整理后有

（3）

由式（3）就可以最后确定R1（R2）的数值。

这样确定的R1和R2是与选择的VCD相对应，也就是和IT相对应的，由式

（1），它取决于所选择的IT，IT小一些，则VCD也小一些，相应的R1和R2的实际值也可以比计算值小一些，但不应比计算值大（为什么？

）。

在本实验中，可以选取VCD=1V，代入式（3），可得R1。

一般加在电桥两端的电压VCD比所选定的电池的电动势要低些，为了保证电桥两端所需的电压，通常在电源电路中串联一个可变电阻器R，它的电阻值应根据电桥电路中的总电流来选择。

二、实验内容

用半导体热敏电阻作为传感器，设计制作一台测温范围为20～70℃的半导体温度计，参考电路见图3.5.3-3。

1．设计要求

（1）在所测量的温度范围内，要求作为温度计用的微安计的全部量程均能有效地利用，即当温度为20℃时，微安计指示为零；

而温度为70℃时，微安计指示为满刻度。

（2）要求长时间的测量（如几分钟）时，微安计的读数应稳定不变。

2．可提供的仪器和元件

热敏电阻、待焊接的电路板、微安计、电阻器、烙铁、电阻箱、电池、多挡开关、导线、多用表、恒温水浴等。

3．设计方案

（1）在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻-温度曲线，确定所设计的半导体温度计的下限温度（20℃）所对应的电阻值RT1和上限温度（70℃）所对应的电阻值RT2。

再由热敏电阻的伏安特性曲线确定最大工作电流IT。

根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取VCD=1V，它可以保证热敏电阻工作在它的伏安特性曲线的直线部分。

（2）令R3=RT1，即测量温度的下限电阻值，由式（3）计算出桥臂电阻R1和R2的电阻值。

式中RT2为量程上限温度的电阻值；

RG为微安表的内阻。

（3）熟悉线路原理图（图3.5.3-2）和底版配置图（图3.5.3-4），对照实验所用元件、位置及线路的连接方向。

（4）注意正确使用电烙铁，学会焊接，防止重焊、虚焊、漏焊、断路。

焊接时K1放在1挡，电流计“+”端与E处要最后连接，以免损坏电表。

（5）标定温度计

1）R1和R2的调节和测量：

开关置于1挡，拨下E处接线，断开微安计，用多用表检查R1和R2，使之阻值达到式（3）的计算值（可以取比计算值略小的整数）。

2）将电阻箱接入接线柱A和B，用它代替热敏电阻，开关置于3位置，令电阻箱的阻值为测量下限温度（20℃）所对应的RT1，调节电位器R3，使电表指示为零（注意，在以后调节过程中，R3保持不变）。

然后，使电阻箱的阻值为上限温度（70℃）所对应的RT2，调节电位器R，使微安计满量程。

（为什么调R可使电表满刻度？

）

3）开关置于2挡，调节电位器，R4，使微安计满量程，这时，R4=，RT2。

（其目的何在？

4）开关置于3挡，从热敏电阻的电阻-温度特性曲线上读出温度20℃～70℃，每隔2.5℃读一个电阻值。

电阻箱逐次选择前面所取的电阻值，读出微安计的电流读数I。

将图3.5.3-5的表盘刻度改成温度的刻度。

另外，作出对应的I-T曲线并与表盘刻度比较。

（6）用实际热敏电阻代替电阻箱，整个部分就是经过定标的半导体温度计。

用此温度计测量两个恒温状态的温度（如35℃、55℃）。

读出半导体温度计和恒温水浴自身的温度，比较其结果（也可试测自己的体温或室温）。

（7）实验照片

4．注意事项

（1）所要定标的温度点，应从热敏电阻的电阻-温度曲线上读取。

（2）校准温度时，必须找到设计时使用的那个热敏电阻，实际完毕后，请焊下所有元件，仪器归位。

5．数据处理：

在试验过程中记录的不同温度下相对应的电流值

温度（℃）

28.0

30.9

32.5

33.5

34.6

35.6

36.5

37.8

38.4

39.2

电流（mA）

0.06

0.18

0.28

0.34

0.38

0.44

0.48

0.54

0.55

0.58

温度（℃）

39.5

40.5

41.6

43.3

44.5

45.5

45.9

47.1

49.2

0.60

0.62

0.66

0.72

0.76

0.79

0.82

0.84

0.90

用Origin软件绘制的I—T曲线

>

y=[0.06,0.18,0.28,0.34,0.38,0.44,0.48,0.54,0.55,0.58,39.5,40.5,41.6,43.3,44.5,45.5,45.9,47.1,49.2];

x=[28.0,30.9,32.5,33.5,34.6,35.6,36.5,37.8,38.4,39.2,39.5,40.5,41.6,43.3,44.5,45.5,45.9,47.1,49.2];

plot（x,y）

三、实验总结

在实验过程中使用电桥时，应避免R1，R2，R3同时调到零值附近测量。

这样可能会出现较大的工作电流，测量精度也会下降。

电桥的工作电压一般不超过3V，否则通过热敏电阻的电流过大，，可能损坏热敏电阻。

热敏电阻作为测量温度的敏感元件时，必需要求它的电阻值只随环境温度而变化，与通过的电流无关。

因此，流经热敏电阻的电流一般选取其伏安特曲线的线性部分的五分之一；

同时流过的电流越小越好。

测量时，密切注视检流计G，若指针迅速偏转，说明通过G的电流很大，应迅速断开K1，以免烧坏检流计。

注意绝对温度T与摄氏度t的关系。

通过实验，我们很明显的可以发现热敏电阻的阻值对温度的变化是非常敏感的，而且随着温度上升，其电阻值呈指数关系下降。

因而可以利用电阻—温度特性制成各类传感器，可使微小的温度变化转变为电阻的变化形成大的信号输出，特别适于高精度测量。

又由于元件的体积小，形状和封装材料选择性广，特别适于高温、高湿、振动及热冲击等环境下作温湿度传感器，可应用与各种生产作业，开发潜力非常大。

实验作业

1、自己组装的电桥R1和R2的比例选用多少为好？

为什么？

答：

R1和R2的比例为20：

1较好。

因为R1/R2=R3/Rr，Rr阻值比较小。

2、查找资料：

画出半导体设计的温度计与热电偶设计的温度计的线路图。