半導(dǎo)體溫度計設(shè)計

1、重慶大學(xué)物理學(xué)院探究性物理實驗研究報告項目名稱 半導(dǎo)體溫度計的設(shè)計 項目組長 項目組成員 年級專業(yè)班 2014年級理科試驗班專業(yè)01班指導(dǎo)教師 2015 年 06 月 15 日項目組成績表序號姓名總分折算后分數(shù)( %)1 丁文浩2 閆凱3指導(dǎo)教師評語教師簽名： 年 月 日 §1項目概述§1.1項目任務(wù)書1、利用Pt100鉑電阻溫度傳感器與電橋裝置，設(shè)計、組合一個測量范圍0-100的溫度計，寫出實驗原理并進行實驗。2、查閱2篇以上相關(guān)論文，并對論文進行綜述，論文要附加到研究報告后面。3、以實驗裝置測溫傳感器為準，對你的溫度計進行實驗測量。仔細進行實驗，找出你的溫度計在0-10

2、0范圍內(nèi)最大的誤差，分析誤差原因，提出減小誤差的方法。詳細寫入報告中。4、完成答辯用的PPT，每小組1個PPT，每位同學(xué)要分別介紹自己的研究工作，完成自己工作部分的報告的撰寫，并組成完整的研究報告。§1.2項目小組成員分工組長丁文浩：實驗數(shù)據(jù)處理與實驗誤差分析及溫度計校正；組員閆凱：了解實驗儀器及實驗原理，初步設(shè)計實驗。§2實驗設(shè)計原理綜述溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)，溫度與科研，生產(chǎn)，人們的生活，植物生長有密切的關(guān)系，環(huán)境的溫度具有與環(huán)境溫度同等重要意義。因此對溫度的研究就顯得尤為的重要。鉑熱敏電阻Pt100是一種阻值隨溫度改變發(fā)生顯著變化

3、的敏感元件。在工作溫度范圍內(nèi)，阻值隨溫度升高而增加的稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻，反之稱為負溫度系數(shù)熱敏電阻，“Pt100”是正溫度系數(shù)電阻。熱敏電阻具有體積小、反應(yīng)快、使用方便的優(yōu)點，通過熱敏電阻，可以把溫度及其變化轉(zhuǎn)換成電學(xué)量或電學(xué)量的變化加以測量。所以，它被廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)、醫(yī)、交通、軍事、科研等各個領(lǐng)域的溫度測量和控制工作中。直流電橋是一種精密的電學(xué)測量儀器，可分為平衡電橋和非平衡電橋兩類。平衡電橋是通過調(diào)節(jié)電橋平衡，將待測電阻與標(biāo)準電阻進行比較得到待測電阻的大小，如惠斯登電橋、開爾文電橋等都是平衡式直流電橋。由于需要調(diào)節(jié)平衡，因此平衡電橋只能用于測量具有相對穩(wěn)定狀態(tài)的物理量。隨著測量技術(shù)的

4、發(fā)展，電橋的應(yīng)用不再局限于平衡電橋的范圍，非平衡電橋在非電量的測量中已得到廣泛應(yīng)用。實際工程和科學(xué)實驗中，待測量往往是連續(xù)變化的，只要能把待測量同電阻值的變化聯(lián)系起來，便可采用非平衡電橋來測量。將各種電阻型傳感器接入電橋回路，橋路的非平衡電壓就能反映出橋臂電阻的微小變化，因此，通過測量非平衡電橋的輸出電壓就可以檢測出待測量的變化，如溫度、壓力、濕度等。本實驗“用非平衡電橋設(shè)計組裝鉑電阻數(shù)字溫度計”是一個比較典型的非平衡電橋應(yīng)用實例。它是市場上各類數(shù)字溫度計的雛形，具有一定實用價值，用鉑電阻作感溫元件可達到精密而穩(wěn)定的測溫效果。§3實驗方案§3.1實驗?zāi)康?、鞏固平衡電橋測量

5、電阻的方法。2、學(xué)習(xí)和掌握測量熱敏電阻溫度特性的基本原理和操作方法。3、用熱敏電阻結(jié)合非平衡電橋設(shè)計制作數(shù)字溫度計。 §3.2實驗設(shè)計內(nèi)容用線性電阻（金屬電阻）結(jié)合非平衡電橋設(shè)計測量范圍為0100的數(shù)字溫度計。§3.3實驗原理非平衡電橋的原理圖見圖3.3-1所示。非平衡電橋在構(gòu)成形式上與平衡電橋相似，但測量方法上有很大差別。平衡電橋要求通過調(diào)節(jié)達到，從而得到，非平衡電橋則使、保持不變，由變化引起變化。再根據(jù)與的函數(shù)關(guān)系，通過檢測的變化從而測得，由于可以檢測連續(xù)變化的，所以可以檢測連續(xù)變化的，進而檢測連續(xù)變化的非電量。圖 3.3-1 非平衡電橋及其等效電路§3.3.

6、1非平衡電橋的輸出非平衡電橋的輸出有兩種情況：一種是輸出端開路或負載電阻很大近似于開路，如后接高內(nèi)阻數(shù)字電壓表或高輸入阻抗運放等情況，這時稱為電壓輸出，實際使用中大多采用這種方式；另一種是輸出端接有一定阻值的負載電阻，這時稱為功率輸出，簡稱功率電橋。根據(jù)戴維南定理，圖3.3.1-1 (a)所示的橋路可等效為圖3.3.1-1（b）所示的二端口網(wǎng)絡(luò)。 圖3.3.1-1（a） 圖3.3.1-1（b） 其中為輸出端開路的輸出電壓，為輸出阻抗，等效電路見圖3.3.1-1 (a)、（b）電壓輸出的情況下，有        &#

7、160;                令，為被測電阻，為其初始值，為電阻變化量。并且初始值滿足電橋平衡條件代入以上兩式，可得 （1）這是作為一般形式非平衡電橋的輸出電壓與被測電阻之間的函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)被測電阻的時，上式可簡化為 （2）這時與R成線性關(guān)系。如果可得 （3）如果 （4）§3.3.2用平衡電橋測量電阻的方法如圖3.3.2-1所示，將被測電阻接入平衡電橋，調(diào)節(jié)可變電阻使電橋平衡，故由電橋平衡條件可得，在本實驗中，是Pt100“熱

8、敏電阻”，由于隨溫度的變化而變化，所以需要不斷調(diào)節(jié)使電橋達到平衡，隔一定溫度調(diào)節(jié)一次使電橋達到平衡，記錄的值，從而計算出的值，得到隨溫度t變化的曲線。 圖3.3.2-1§3.3.3用非平衡電橋測量電阻的方法（1）將被測電阻（傳感器）接入非平衡電橋，并進行初始平衡，為其初始值，這時電橋輸出為0。改變被測的非電量，則被測電阻也變化。這時電橋有相應(yīng)的電壓輸出。測出這個電壓后，就可利用公式計算，再根據(jù)計算出。（2）根據(jù)測量結(jié)果求得。也可先作曲線，然后根據(jù)所得曲線，由的值得到及的值，這樣就可以根據(jù)非平衡電橋的輸出來測被測電阻。§3.3.4用平衡電橋測溫度的方法將被測電阻（傳感器）接入

9、平衡電橋，這時電橋有相應(yīng)的電壓輸出，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使電橋平衡，即電壓輸出為零。此時根據(jù)公式計算得出的阻值，然后再由與溫度關(guān)系求出溫度t的值。此方法雖然理論上測量得到的較準確，但是在溫度不斷變化的時候，由于人無法迅速調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使電橋達到平衡，導(dǎo)致在實際過程中，測到的偏差較大，并且無法得到偏差的數(shù)值，所以這不是最佳的測量方案。§3.3.5用非平衡電橋測溫度的方法用線性電阻（金屬電阻）測溫度鉑電阻（或金屬電阻）與溫度的關(guān)系，一定溫度范圍內(nèi)可表示為式中 和分別為溫度為t和 0時的電阻。并且初始值滿足電橋平衡條件。在 0100范圍內(nèi)值作用不顯著，與近似成線性關(guān)系，即所以，代入上式得式中的值可由

10、實驗方法測得：先測量電阻的溫度電阻特性，即選取不同的溫度，得到相應(yīng)的，并繪制曲線，其斜率即。這樣就可以由電橋的求得相應(yīng)的溫度變化量，從而求得。特殊地，當(dāng)時，上式可簡化為 （5）  這時與成線性關(guān)系，因此我們可以通過電壓改變的大小來判斷溫度變化的情況。§3.4實驗儀器半導(dǎo)體傳感器，溫度傳感器實驗裝置、FB820型溫度傳感器測試及半導(dǎo)體致冷控溫實驗儀、電阻箱、導(dǎo)線等。§3.5實驗內(nèi)容用平衡電橋測量pt100“熱敏電阻”的電阻溫度特性本實驗采用平衡電橋測量電阻，按電路圖3.5.1-1接好電路，電源電壓選擇2V，電壓測量量程選擇2V，從0度開始測量，按下溫度控制調(diào)節(jié)面板的

11、“SET”鍵設(shè)置溫度為0度，選擇致冷，可通過調(diào)節(jié)“致冷電流”旋鈕來控制致冷功率。 設(shè)置完成后開始降溫，當(dāng)溫度降為0度時，調(diào)節(jié)電阻箱使電橋達到平衡，讀出此時電阻箱的示數(shù)，由于在本實驗中，所以，即讀出的的值就是的值。依次設(shè)置某一溫度值，記錄的值，直到100為止。記錄完成后，繪制曲線。 圖3.5.1-1 用平衡電橋測量不同溫度時熱敏電阻的阻值大小。即選取不同的溫度，得到相應(yīng)的，并繪制曲線，其斜率即。起始溫度可以選室溫或測量范圍內(nèi)的其他溫度。§4實驗數(shù)據(jù)§4.1實驗數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄如下：溫度（）05.010.015.020.025.030.035.040.045.0100.0101

12、.8103.7105.7107.6109.3111.0112.7114.4116.2溫度（）50.055.060.065.070.075.080.085.090.095.0118.0119.9121.8123.5125.4127.1129.0130.6132.4134.3溫度（）100.0136.2§4.2實驗數(shù)據(jù)處理繪制曲線 由上表記錄的數(shù)據(jù)繪制曲線，并進行線性擬合，如下圖所示如圖橫軸為，縱軸為，由Excel線性擬合得到曲線的線性關(guān)系為，由公式可得斜率=0.3596§5數(shù)字溫度計的設(shè)計§5.1平衡電橋溫度計通過平衡電橋可以測得未知溫度t時的熱敏電阻阻值，再根據(jù)曲

13、線得到對應(yīng)阻值的溫度數(shù)值，據(jù)此我們可以較為精確地測得溫度。但是通過調(diào)節(jié)平衡電橋測溫度的方法只適用于測穩(wěn)態(tài)情況下物體的溫度，因為對于非穩(wěn)態(tài)變溫物體，溫度在變化的過程中，熱敏電阻阻值在不斷變化，無法快速調(diào)節(jié)電橋達到平衡。我們就需要用非平衡電橋設(shè)計一種不需調(diào)節(jié)電阻箱的溫度計，能將溫度的數(shù)值通過電壓表直接顯示出來。§5.2非平衡電橋溫度計根據(jù)非平衡電橋的顯示表頭，通過適當(dāng)選取電壓的值，使顯示的毫伏數(shù)正好為攝氏溫度值。由公式可得與成正比，因為初始溫度為0，所以，在如圖5.2-1所示電路圖中， ，；公式可寫為，電壓毫伏數(shù)，若使，只需t的系數(shù)為1即可，即，計算得E=3.36V。即控制電源電壓為，就

14、可使，這樣電壓表顯示的毫伏數(shù)值就是所測溫度的數(shù)值，我們就可以通過毫伏表的示數(shù)直接讀出溫度的數(shù)值。（注意：調(diào)節(jié)為100使t為0時電壓表示數(shù)為0） 圖3.5-1§6誤差分析§6.1系統(tǒng)誤差§6.1.1儀器誤差FB820型溫度傳感器測試及半導(dǎo)體致冷控溫實驗儀所測溫度最小量為0.1，電阻箱所測電阻最小量為0.1，。儀器誤差造成所測得的溫度和對應(yīng)的阻值不精確，造成繪制的曲線存在誤差。§6.1.2理論分析誤差在本實驗中多次做過近似處理，在關(guān)系式中，將的關(guān)系近似為線性關(guān)系，使關(guān)系存在誤差。在公式的推導(dǎo)過程中，將電壓表的內(nèi)阻近似為無窮大。而對上述公式化簡時也進行了近似處

15、理，當(dāng)時，公式化簡為§6.2隨機誤差在本實驗中主要由測量者引起，在測量熱敏電阻溫度特性過程中，當(dāng)溫度達到指定數(shù)值時，由于人為因素?zé)o法及時調(diào)節(jié)電橋達到平衡，致使測得的熱敏電阻阻值不準確，從而使曲線存在誤差。§6.3誤差的減小由人主觀引起的隨機誤差可通過多次測量取平均值減小誤差。理論分析過程中近似處理產(chǎn)生的誤差可通過調(diào)節(jié)各物理量的數(shù)值來實現(xiàn)。例如，可采用高內(nèi)阻毫伏電壓表，使其內(nèi)阻。取較大的的值，使，這樣，由理論分析帶來的誤差就可以減小。§7半導(dǎo)體溫度計的校正在本實驗設(shè)計中，由于誤差導(dǎo)致測量的物理量不準確，繪制的曲線與真實的曲線有一定差距。導(dǎo)致在計算電源電壓時出現(xiàn)偏差，

16、最終使毫伏表上顯示的示數(shù)有偏差。為了消除這一偏差我們可以通過調(diào)節(jié)電壓實現(xiàn)，由公式可知，與成正比，即公式可寫為的形式（其中k為常量，僅由電阻的大小和物理屬性決定）從公式可以看出，若使電壓數(shù)值與溫度數(shù)值相等，只要調(diào)節(jié)電源電壓的大小使即可（調(diào)節(jié)E的大小直到），將傳感器置于恒溫源中，調(diào)節(jié)電源電壓使毫伏電壓表上顯示的毫伏數(shù)值等于恒溫源的溫度。經(jīng)過校正后的半導(dǎo)體溫度計所顯示的溫度誤差僅來自于理論分析和儀器誤差，所以誤差相對較小。§8實驗設(shè)計注意事項1、線路必須連接正確，方可進行實驗。2、電源輸出電壓不能高于電壓表量程。3、溫度控制器所監(jiān)測的加熱器內(nèi)溫度穩(wěn)定后，方可進行測量。§9實驗總結(jié)與感想1、 實驗前一定要做好充足的準備。在實驗之前，我們組充分了解了儀器的結(jié)構(gòu)、實驗的工作的原理，然后再設(shè)計進行實驗，節(jié)約大量時間，提高效率。在著手開始項目之前，一定要有一個完整的規(guī)劃，一個全面的準備，這樣才能成功完成一個項目；2、 善于運用所學(xué)的知識解決實驗過程中出現(xiàn)的問題，如運用逐差法消除致冷井溫度測量的誤差。善于參考和借鑒已有的研究成果解決問題，幫助改善并提高實驗。做實驗要秉著一種謙虛