半導體溫度計的設計與制作.

1、實驗題目：半導體溫度計的設計與制作 實驗目的：測試溫度在2070 C的范圍內，選用合適的熱敏電阻和非平衡電橋線路(或選用你認為更好 的測溫電路)來設計一半導體溫度計。進一步理解熱敏電阻的伏安特性和惠斯通電橋測電阻 的原理，學習非電學量的電測法，了解實驗中的替代原理的應用。 實驗原理：(1)半導體溫度計就是利用半導體的電阻值隨溫度急劇變化的特性而制作的，以半導體熱敏 電阻為傳感器，通過測量其電阻值來確定溫度的儀器。這種測量方法為非電量的電測法。 (2) 由于金屬氧化物半導體的電阻值對溫度的反應很靈敏(參見實驗3.5.2 ),因此可以作為 溫傳感器。 為實現非電量的電測法，采用電學儀器來測量熱敏電

2、阻的阻值， 還需要了解熱敏電阻的伏安特性。由圖1可知，在V-I曲線的 起始部分，曲線接近線性，此時，熱敏電阻的阻值主要與外界 溫度有關，電流的影響可以忽略不計。 m 1嬉觀電粗狀妥特性帕釀 (3) 半導體溫度計測溫電路的原理圖如圖2所示，當電橋平衡時， RiR3 表的指示必為零，此時應滿足條件-，若取R=R2，則R3 R2Rt 的數值即為Rt的數值。平衡后，若電橋某一臂的電阻又發(fā)生改變 (如 R),則平衡將受到破壞，微安計中將有電流流過，微安計 中的電流的大小直接反映了熱敏電阻的阻值的大小。 (4) 當熱敏電阻的阻值在測溫量程的下限Rti時，要求微安計的 讀數為零(即|G=O ),此時電橋處于

3、平衡狀態(tài)，滿足平衡條件。 若取Ri=Ra,則R3=Rh, 即卩F3就是熱敏電阻處在測溫量程的下限 溫度時的電阻值，由此也就決定了R3的電阻值。 (5) 當溫度增加時，熱敏電阻的電阻值就會減小，電橋出現不平衡，在微安計中就有電流流 過。當熱敏電阻處在測溫量程的上限溫度電阻值Rt2時，要求微安計的讀數為滿刻度。由于 It Ig，則加在電橋兩端上的電壓 Vcd近似有：Vcd It(R3 R)(1) 根據圖2的電橋電路，由基爾霍夫方程組可以求出 Rt2 R1R2R3RT 2 R1 R2R3 RT2 RR2R3fT 2 VCD 由于R=F2、R3=Rti,整理后有R1 2Vcd 1 7T(2 RT2 R

4、T1RT2 2(Rg RT1 RT2 RT1RT2 (3) （6） 般加在電橋兩端的電壓 VCd比所選定的電池的電動勢要低些，為了保證電橋兩端所需的 電壓，通常在電源電路中串聯一個可變電阻器R,它的電阻值應根據電橋電路中的總電流來選 擇。 實驗內容： （1） 在坐標紙上繪出熱敏電阻的電阻-溫度曲線，確定所設計的半導體溫度計的下限溫度 （20C）所對應的電阻值 Rti和上限溫度（70C）所對應的電阻值甩。再由熱敏電阻的 伏安特性曲線確定最大工作電流It。根據實驗中采用的熱敏電阻的實際情況，選取 VCD=1V,它可以保證熱敏電阻工作在它的伏安特性曲線的直線部分。 （2） 令R3=Rt1,即測量溫度

5、的下限電阻值，由式（ 3）計算出橋臂電阻 R和艮的電阻值。式中 Rt2為量程上限溫度的電阻值；FG為微安表的內阻。 （3）熟悉線路原理圖（圖 2）和底版配置圖（圖 3），對照實驗所用元件、位置及線路的連接 (4) 方向。 注意正確使用電烙鐵，學會焊接，防止重焊、虛焊、漏焊、斷路。焊接時K放在1擋, 電流計“ +”端與E處要最后連接，以免損壞電表。 標定溫度計 R1和R的調節(jié)和測量：開關置于 1擋，撥下E處接線，斷 （5） 1） 開微安計，用多用表檢查 R和艮，使之阻值達到式（3）的 計算值（可以取比計算值略小的整數）。 2） 將電阻箱接入接線柱 A和B,用它代替熱敏電阻，開關置 于3位置，令電

6、阻箱的阻值為測量下限溫度（20C）所對 應的Rn,調節(jié)電位器使電表指示為零（注意，在以后 調節(jié)過程中，F3保持不變）。然后，使電阻箱的阻值為上限 溫度（70 C）所對應的 Rt2,調節(jié)電位器 R,使微安計滿量 程。 3） 開關置于2擋，調節(jié)電位器，R4,使微安計滿量程，這時， 4) F4=FT2。（其目的何在？） 開關置于3擋，從熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線上 讀出溫度20C70 C,每隔5 C讀一個電阻值。 電阻 箱逐次選擇前面所取的電阻值，讀出微安計的電流讀 數I。將圖4的表盤刻度改成溫度的刻度。另外，作出對應的I-T曲線并與表盤刻度比較。 (6) 用實際熱敏電阻代替電阻箱，整個部分就是經

7、過定標的半導體溫度計。用此溫度計測量兩 個恒溫狀態(tài)的溫度(如 35 C、55C)。讀出半導體溫度計和恒溫水浴自身的溫度，比較其 結果。 實驗器材： 熱敏電阻、待焊接的電路板、微安表、電阻器、電烙鐵、電阻箱、電池、導線、萬用表、恒 溫水浴 實驗數據與數據處理：(Ri R22Vcd(-壓 )2(氏RtiRt2 ) 1 G 2 RT1 RT2RT1 RT2 表1給定熱敏電阻的的R-T關系 T/C 15 20 25 30 35 40 45 R/ Q 3154 2584 2151 1828 1516 1288 1051 T/ C 50 55 60 65 70 75 R/ Q 927 785 671 57

8、7 498 434 在32.8 C時，對應的表盤讀取溫度大約是33.0 C,相對誤差0.61%。這兩個數據和實際測量所得到 的值吻合得比較好，可以認為實驗中的溫度表盤標定是成功的。 實驗中誤差的來源主要是電橋中對R和艮電阻標定，和對微安表的讀數，而且實驗所給的R, T關系 中存在一定誤差。最大的誤差來源于對熱敏電阻實際的溫度-電阻關系的測定。 實驗小結： 本實驗操作中的難點來源于對電路的焊接。我由于沒有仔細查看課本的電路圖，導致第一次調試時微 安表沒有反應，調試過程耗費了不少時間，最后終于發(fā)現少焊了一條導線，將其焊上后實驗基本順利。我 在焊接過程中十分仔細地避免了虛焊等問題，這是本實驗成功的一個因素。 思考題： 1. 為什么R和R的實際值比計算值小一些而不應比計算值大 ？ 答：因為電路中的連接R1和R的導線也有電阻，如果R和R的實際值比計算值大，再加上其鄰 接的導線電阻，只會比計算值越來越大，從而導致更大的誤差。 2. 在焊接導線時使用松香或焊錫油脂，這有什么用？ 答：松香或焊錫油脂作為助焊劑，使導線焊得更牢，避免虛焊。 3. 為什么調節(jié)R可使電表滿刻度？ 答：調節(jié)R可使總電阻改變，從而改變干路電流，使電表滿刻度。 4. 調節(jié)電位器R使微安表滿量程，目的何在？ 答：根據實驗原理，微安表滿量程時，此時半導體溫度計到達其測量溫度的上限，需F4=FT2, 即為半