半導體溫度計的設計和制作

1、半導體溫度計的設計和制作5-06級數(shù)學系 pb06001093 蔡園青 4月27號實驗目的：要求測試溫度在的范圍內，選用合適的熱敏電阻和非平衡電橋線路來設計一臺半導體溫度計。實驗儀器：熱敏電阻、待焊接的電路板、微安表、電阻器、烙鐵、電阻箱、電池、多檔開關、導線、多用表、恒溫水浴等。實驗原理：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，它可以將各種非電量，如長度、位移、應力、應變、溫度、光強等轉變成電學量，如電阻、電壓、電流、電感和電容等，然后用電學儀器來進行測量。由于金屬氧化物半導體的

2、電阻值對溫度的反應很靈敏，因此可以作為溫敏傳感器。為實現(xiàn)非電量的電測法，采用電學儀器來測量熱敏電阻的阻值，還需要了解熱敏電阻的伏安特性。由圖3.5.3-1可知，在V-I曲線的起始部分，曲線接近線性，這是因為電流小時在熱敏電阻上消耗的功率不足以顯著地改變熱敏電阻的溫度，因而符合歐姆定律。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。半導體溫度計測溫電路的原理圖如圖3.5.3-2所示（僅供參考），圖中是微安計，RT為熱敏電阻，當電橋平衡時，表的指示必為零，此時應滿足條件，若取R1=R2，則R3的數(shù)值即為RT的數(shù)值。平衡后，若電橋某一臂的電阻又發(fā)生改變（如RT），則平衡將受到破壞，

3、微安計中將有電流流過，若電橋電壓，微安計內阻RG，電橋各臂電阻R1、R2、R3已定，就可以根據(jù)微安計的讀數(shù)IG的大小計算出RT的大小來。也就是說，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，因此就可以利用這種“非平衡電橋”的電路原理來實現(xiàn)對溫度的測量。由上述可知，可由E、RG、R1G、R2確定IG和RT的關系，如何選定E和R1、R2、R3呢？由電橋原理可知：當熱敏電阻的阻值在測溫量程的下限RT1時，要求微安計的讀數(shù)為零（即IG=0），此時電橋處于平衡狀態(tài)，滿足平衡條件。若取R1=R2，則R3=RT1，即R3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。當溫度

4、增加時，熱敏電阻的電阻值就會減小，電橋出現(xiàn)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(shù)為滿刻度。此時，流入微安計中的電流IG與加在電橋兩端的電壓VCD和R1、R2有關，由于選取起始狀態(tài)（IG=0時）是對稱電橋，即 R1=R2，故IG只與VCD和RT2有關。若流入熱敏電阻RT中的電流IT比流入微安計內的電流IG大得多（即），則加在電橋兩端上的電壓VCD近似有 （1）根據(jù)所選定的熱敏電阻的最大工作電流（當R3=RT2時），可由式（1）確定供電電池的個數(shù)。根據(jù)圖3.4.3-2的電橋電路，由基爾霍夫方程組可以求出流入微安計的電流IG與VCD、R1、R

5、2、R3、RT2的關系： （2）由于R1=R2、R3=RT1，整理后有 （3）由式（3）就可以最后確定R1（R2）的數(shù)值。這樣確定的R1和R2是與選擇的VCD相對應，也就是和IT相對應的，由式（1），它取決于所選擇的IT，IT小一些，則VCD也小一些，相應的R1和R2的實際值也可以比計算值小一些，但不應比計算值大（為什么？）。在本實驗中，可以選取VCD=1V，代入式（3），可得R1。一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(lián)一個可變電阻器R，它的電阻值應根據(jù)電橋電路中的總電流來選擇。實驗內容用半導體熱敏電阻作為傳感器，設計制作一臺

6、測溫范圍為2070 的半導體溫度計，參考電路見圖3.5.3-3。1 設計要求（1） 在所測量的溫度范圍內，要求作為溫度計用的微安計的全部量程均能有效地利用，即當溫度為20時，微安計指示為零；而溫度為70時，微安計指示為滿刻度。（2） 要求長時間的測量（如幾分鐘）時，微安計的讀數(shù)應穩(wěn)定不變。2 可提供的儀器和元件熱敏電阻、待焊接的電路板、微安計、電阻器、烙鐵、電阻箱、電池、多擋開關、導線、多用表、恒溫水浴等。3 參考設計方案（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（20）所對應的電阻值RT1和上限溫度（70）所對應的電阻值RT2。再由熱敏電阻的伏安特性曲

7、線確定最大工作電流IT。根據(jù)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，即測量溫度的下限電阻值，由式（3）計算出橋臂電阻R1和R2的電阻值。式中RT2為量程上限溫度的電阻值；RG為微安表的內阻。（3） 熟悉線路原理圖（圖3.5.3-2）和底版配置圖（圖3.5.3-4），對照實驗所用元件、位置及線路的連接方向。（4） 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K1放在1擋，電流計“+”端與E處要最后連接，以免損壞電表。（5） 標定溫度計1） R1和R2的調節(jié)和測量：開關置于1擋，撥下E處接線，

8、斷開微安計，用多用表檢查R1和R2，使之阻值達到式（3）的計算值（可以取比計算值略小的整數(shù)）。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，令電阻箱的阻值為測量下限溫度（20）所對應的RT1，調節(jié)電位器R3，使電表指示為零（注意，在以后調節(jié)過程中，R3保持不變）。然后，使電阻箱的阻值為上限溫度（70）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，R4=，RT2。4） 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2070，每隔2.5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(shù)I。將圖3

9、.5.3-5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、55）。讀出半導體溫度計和恒溫水浴自身的溫度，比較其結果。4 注意事項（1） 所要定標的溫度點，應從熱敏電阻的電阻-溫度曲線上讀取。（2） 校準溫度時，必須找到設計時使用的那個熱敏電阻，實際完畢后，請焊下所有元件，儀器歸位。數(shù)據(jù)分析： 1 在坐標紙上繪出熱敏電阻的電阻-溫度曲線如圖：確定所設計的溫度計的下限溫度和上限溫度所對應的電阻值，選取=1V， 2 令，由公式和3計算出橋臂電阻， 3 標定溫度計所得數(shù)據(jù)如下表：根據(jù)上表繪得I-T曲線為：溫度電阻值電流202597022.523603.22521356.827.519889.630182612.832.5166016.335151220.037.5139022.540128125.142.5117328.045107731.047.599433.25091835.852.584338.35577640.457.571742.16066244.062.561345.86556847.267.552648.97048850.0 I-t圖測量兩個已