半導(dǎo)體溫度計(jì)設(shè)計(jì)-

1、重慶大學(xué)物理學(xué)院探究性物理實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告項(xiàng)目名稱(chēng)半導(dǎo)體溫度計(jì)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目組長(zhǎng)項(xiàng)目組成員年級(jí)專(zhuān)業(yè)班2014 年級(jí)理科試驗(yàn)班專(zhuān)業(yè)01 班指導(dǎo)教師2015 年06 月15 日項(xiàng)目組成績(jī)表 §1項(xiàng)目概述§1.1項(xiàng)目任務(wù)書(shū)1、利用Pt100鉑電阻溫度傳感器與電橋裝置,設(shè)計(jì)、組合一個(gè)測(cè)量范圍0-100的溫度計(jì),寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)原理并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2、查閱2篇以上相關(guān)論文,并對(duì)論文進(jìn)行綜述,論文要附加到研究報(bào)告后面。3、以實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)溫傳感器為準(zhǔn),對(duì)你的溫度計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。仔細(xì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),找出你的溫度計(jì)在0-100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(xì)寫(xiě)入報(bào)告中。4、完成答辯用的PPT,每

2、小組1個(gè)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(bào)告的撰寫(xiě),并組成完整的研究報(bào)告。§1.2項(xiàng)目小組成員分工組長(zhǎng)丁文浩:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)誤差分析及溫度計(jì)校正;組員閆凱:了解實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)原理,初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。§2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理綜述溫度是一個(gè)基本的物理量,自然界中的一切過(guò)程無(wú)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(zhǎng)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(duì)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(chēng)為正溫度系數(shù)熱敏電阻,反之稱(chēng)為負(fù)溫度系數(shù)熱

3、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(diǎn),通過(guò)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(cè)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(gè)領(lǐng)域的溫度測(cè)量和控制工作中。直流電橋是一種精密的電學(xué)測(cè)量?jī)x器,可分為平衡電橋和非平衡電橋兩類(lèi)。平衡電橋是通過(guò)調(diào)節(jié)電橋平衡,將待測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較得到待測(cè)電阻的大小,如惠斯登電橋、開(kāi)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(cè)量具有相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的物理量。隨著測(cè)量技術(shù)的發(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(cè)量中已得到廣泛應(yīng)用。實(shí)際工程和科

4、學(xué)實(shí)驗(yàn)中,待測(cè)量往往是連續(xù)變化的,只要能把待測(cè)量同電阻值的變化聯(lián)系起來(lái),便可采用非平衡電橋來(lái)測(cè)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(guò)測(cè)量非平衡電橋的輸出電壓就可以檢測(cè)出待測(cè)量的變化,如溫度、壓力、濕度等。本實(shí)驗(yàn)“用非平衡電橋設(shè)計(jì)組裝鉑電阻數(shù)字溫度計(jì)”是一個(gè)比較典型的非平衡電橋應(yīng)用實(shí)例。它是市場(chǎng)上各類(lèi)數(shù)字溫度計(jì)的雛形,具有一定實(shí)用價(jià)值,用鉑電阻作感溫元件可達(dá)到精密而穩(wěn)定的測(cè)溫效果。§3實(shí)驗(yàn)方案§3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、鞏固平衡電橋測(cè)量電阻的方法。2、學(xué)習(xí)和掌握測(cè)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

5、設(shè)計(jì)制作數(shù)字溫度計(jì)。§3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容用線(xiàn)性電阻(金屬電阻結(jié)合非平衡電橋設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為0100的數(shù)字溫度計(jì)。§3.3實(shí)驗(yàn)原理非平衡電橋的原理圖見(jiàn)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(cè)量方法上有很大差別。平衡電橋要求通過(guò)調(diào)節(jié)達(dá)到00I =,從而得到312x R R R R =,非平衡電橋則使1R 、2R 、3R 保持不變,由x R 變化引起0U 變化。再根據(jù)0U 與x R 的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)檢測(cè)0U 的變化從而測(cè)得x R ,由于可以檢測(cè)連續(xù)變化的0U ,所以可以檢測(cè)連續(xù)變化的x R ,進(jìn)而檢測(cè)連續(xù)變化的非電量。 U o +_oc圖 3.3-1 非平衡電橋

6、及其等效電路非平衡電橋的輸出有兩種情況:一種是輸出端開(kāi)路或負(fù)載電阻很大近似于開(kāi)路,如后接高內(nèi)阻數(shù)字電壓表或高輸入阻抗運(yùn)放等情況,這時(shí)稱(chēng)為電壓輸出,實(shí)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(fù)載電阻,這時(shí)稱(chēng)為功率輸出,簡(jiǎn)稱(chēng)功率電橋。 E3123x oc x R R U E R R R R =- +123123x i x R R R RR R R R R =+3123x L o i Lx R R R U E R R R R R R =- +電壓輸出的情況下L R ,有3123x o x R R U E R R R R =- +令0x x R R R =+,x R 為被測(cè)電阻,0x R

7、 為其初始值,R 為電阻變化量。并且初始值滿(mǎn)足電橋平衡條件0312x R R R R =代入以上兩式,可得02123(L o i L x R R R U E R R R R R R R =+001211(1o x x R EU R RR R R R =+(1這是作為一般形式非平衡電橋的輸出電壓與被測(cè)電阻之間的函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)被測(cè)電阻的1R R 時(shí),上式可簡(jiǎn)化為0121(o x R U E R R R +(2這時(shí)0U 與R 成線(xiàn)性關(guān)系。 如果0312x R R n R R = 可得2(1o x nE RU n R =+(3 如果03121x R R R R = 04o x E RU R =21x

8、R R R R =,故由電橋平衡條件可得'21x R R R R =,在本實(shí)驗(yàn)中,x R 是Pt100“熱敏電阻”t R ,由于t R 隨溫度的變化而變化,所以需要不斷調(diào)節(jié)'R 使電橋達(dá)到平衡,隔一定溫度調(diào)節(jié)'R 一次使電橋達(dá)到平衡,記錄'R 的值,從而計(jì)算出t R 的值,得到t R 隨溫度t 變化的曲線(xiàn)。 (1將被測(cè)電阻t R (傳感器接入非平衡電橋,并進(jìn)行初始平衡,0t R 為其初始值,這時(shí)電橋輸出為0。改變被測(cè)的非電量,則被測(cè)電阻也變化。這時(shí)電橋有相應(yīng)的電壓o U 輸出。測(cè)出這個(gè)電壓后,就可利用公式2(1o tnE RU n R =+計(jì)算R ,再根據(jù)0t

9、t R R R =+計(jì)算出t R 。 (2根據(jù)測(cè)量結(jié)果求得t R 。也可先作o U R 曲線(xiàn),然后根據(jù)所得曲線(xiàn),由o U 的值得到R 及t R 的值,這樣就可以根據(jù)非平衡電橋的輸出o U 來(lái)測(cè)被測(cè)電阻t R 。將被測(cè)電阻T R (傳感器接入平衡電橋,這時(shí)電橋有相應(yīng)的電壓o U 輸出,調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使電橋平衡,即電壓o U 輸出為零。此時(shí)根據(jù)公式'21t R R R R =計(jì)算得出t R 的阻值,然后再由t R 與溫度關(guān)系求出溫度t 的值。此方法雖然理論上測(cè)量得到的t R 較準(zhǔn)確,但是在溫度不斷變化的時(shí)候,由于人無(wú)法迅速調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使電橋達(dá)到平衡,導(dǎo)致在實(shí)際過(guò)程中,測(cè)到的t R 偏差較大,

10、并且無(wú)法得到偏差的數(shù)值,所以這不是最佳的測(cè)量方案。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2(0(1t t R t R t t =+式中(t R t 和(0t R 分別為溫度為t 和 0時(shí)的電阻。并且初始值(0t R 滿(mǎn)足電橋平衡條件。 在 0100范圍內(nèi)值作用不顯著,(t R t 與t 近似成線(xiàn)性關(guān)系,即(0(1(0(0t t t t R t R t R tR =+=+所以(0t R R t =,代入上式得001211(0(0(1o t t t t R EU t R t R tR R R R =+式中的(0t R 值可由實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得:先測(cè)量電阻的溫度電阻特性,即選取不同的溫度t

11、 ,得到相應(yīng)的(t R t ,并繪制(t R t t 曲線(xiàn),其斜率即(0t R 。這樣就可以由電橋的o U 求得相應(yīng)的溫度變化量t ,從而求得0t t t =+。 特殊地,當(dāng)1R R 時(shí),上式可簡(jiǎn)化為121(0(0o t t R U E R t R R =+(5這時(shí)o U 與t 成線(xiàn)性關(guān)系,因此我們可以通過(guò)電壓改變的大小來(lái)判斷溫度變化的情況。§3.4實(shí)驗(yàn)儀器半導(dǎo)體傳感器,溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置、FB820型溫度傳感器測(cè)試及半導(dǎo)體致冷控溫實(shí)驗(yàn)儀、電阻箱、導(dǎo)線(xiàn)等。§3.5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用平衡電橋測(cè)量pt100“熱敏電阻”的電阻溫度特性 好電路,電源電壓選擇2V ,電壓測(cè)量量程選擇2V ,

12、從0度開(kāi)始測(cè)量,按下溫度控制調(diào)節(jié)面板的“SET ”鍵設(shè)置溫度為0度,選擇致冷,可通過(guò)調(diào)節(jié)“致冷電流”旋鈕來(lái)控制致冷功率。設(shè)置完成后開(kāi)始降溫,當(dāng)溫度降為0度時(shí),調(diào)節(jié)電阻箱使電橋達(dá)到平衡,讀出此時(shí)電阻箱x R 的示數(shù),由于在本實(shí)驗(yàn)中121R R K =,所以t x R R =,即讀出的x R 的值就是t R 的值。依次設(shè)置某一溫度值,記用平衡電橋測(cè)量不同溫度時(shí)熱敏電阻的阻值大小。即選取不同的溫度t ,得到相應(yīng)的(t R t ,并繪制(t R t t 曲線(xiàn),其斜率即(0t R 。起始溫度可以選室溫或測(cè)量范圍內(nèi)的其他溫度。§4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)§4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 §4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

13、處理繪制(t R t t 曲線(xiàn)由上表記錄的數(shù)據(jù)繪制(t R t t 曲線(xiàn),并進(jìn)行線(xiàn)性擬合,如下圖所示 如圖橫軸為t ,縱軸為(t R t ,由Excel 線(xiàn)性擬合得到曲線(xiàn)的線(xiàn)性關(guān)系為(=0.3596t 100.15t R t +,由公式(0(1(0(0t t t t R t R t R tR =+=+可得斜率(0t k R =0.3596§5數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)§5.1平衡電橋溫度計(jì)通過(guò)平衡電橋可以測(cè)得未知溫度t 時(shí)的熱敏電阻阻值,再根據(jù)(t R t t 曲線(xiàn)得到對(duì)應(yīng)阻值的溫度數(shù)值,據(jù)此我們可以較為精確地測(cè)得溫度。但是通過(guò)調(diào)節(jié)平衡電橋測(cè)溫度的方法只適用于測(cè)穩(wěn)態(tài)情況下物體的溫度,

14、因?yàn)閷?duì)于非穩(wěn)態(tài)變溫物體,溫度在變化的過(guò)程中,熱敏電阻阻值在不斷變化,無(wú)法快速調(diào)節(jié)電橋達(dá)到平衡。我們就需要用非平衡電橋設(shè)計(jì)一種不需調(diào)節(jié)電阻箱的溫度計(jì),能將溫度的數(shù)值通過(guò)電壓表直接顯示出來(lái)。§5.2非平衡電橋溫度計(jì)根據(jù)非平衡電橋的顯示表頭,通過(guò)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Uo = R1 EDR ( R1 + Rx0 2 § 6.2 隨機(jī)誤差 在本實(shí)驗(yàn)中主要由測(cè)量者引起，在測(cè)量熱敏電阻溫度特性過(guò)程中，當(dāng)溫度達(dá)到指定數(shù)值時(shí)，由于 人為因素?zé)o法及時(shí)調(diào)節(jié)電橋達(dá)到平衡，致使測(cè)得的熱敏電阻阻值不準(zhǔn)確，從而使 Rt (t = t 曲線(xiàn)存在誤 差。 § 6.

15、3 誤差的減小 由人主觀(guān)引起的隨機(jī)誤差可通過(guò)多次測(cè)量取平均值減小誤差。 理論分析過(guò)程中近似處理產(chǎn)生的誤 差可通過(guò)調(diào)節(jié)各物理量的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，可采用高內(nèi)阻毫伏電壓表，使其內(nèi)阻 RL = R1 。取較大 的 R1 的值，使 DR = R1 ，這樣，由理論分析帶來(lái)的誤差就可以減小。 § 7 半導(dǎo)體溫度計(jì)的校正 在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，由于誤差導(dǎo)致測(cè)量的物理量不準(zhǔn)確，繪制的 Rt (t = t 曲線(xiàn)與真實(shí)的曲線(xiàn)有一定 差距。導(dǎo)致在計(jì)算電源電壓時(shí)出現(xiàn)偏差，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(guò)調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)， 由公式 U o = R1 + Rt (0 R1 2 U0 

16、5; E × a Rt (0t 可知， 與 t 成正比，即公式可寫(xiě)為 U( mv =kEt 的形式（其中 k 為常量，僅由電阻的大小和物理屬性決定） E 的大小使 從公式 U （mv =kEt 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 kE=1 即可（調(diào)節(jié) E 的大小直到 U( mv = t ） ，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(guò)校正后的半導(dǎo)體溫度計(jì)所顯示的溫度誤差僅來(lái)自于理論分析 和儀器誤差，所以誤差相對(duì)較小。 § 8 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 1、線(xiàn)路必須連接正確，方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 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(cè)的加熱器內(nèi)溫度穩(wěn)定后，方可進(jìn)行測(cè)量。 § 9 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與感想 1、實(shí)驗(yàn)前一定要做好充足的準(zhǔn)備。在實(shí)驗(yàn)之前，我們組充分了解了儀器的結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)的工作的 10 原理，然后再設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，節(jié)約大量時(shí)間，提高效率。在著手開(kāi)始項(xiàng)目之前，一定要有一個(gè)完整的 規(guī)劃，一個(gè)全面的準(zhǔn)備，這樣才能成功完成一個(gè)項(xiàng)目； 2、善于運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題， 如運(yùn)用逐差法消除致冷井溫度測(cè)量的誤差。 善于參考和借鑒已有的研究成果解決問(wèn)題， 幫助改善并提高實(shí)驗(yàn)。 做實(shí)驗(yàn)要秉著一種謙虛謹(jǐn)慎的態(tài)度， 通過(guò)