半導(dǎo)體溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和制作

1、半導(dǎo)體溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和制作5-06級(jí)數(shù)學(xué)系 pb06001093 蔡園青 4月27號(hào)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂鬁y(cè)試溫度在的范圍內(nèi)，選用合適的熱敏電阻和非平衡電橋線路來(lái)設(shè)計(jì)一臺(tái)半導(dǎo)體溫度計(jì)。實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)、導(dǎo)線、多用表、恒溫水浴等。實(shí)驗(yàn)原理：半導(dǎo)體溫度計(jì)就是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度急劇變化的特性而制作的，以半導(dǎo)體熱敏電阻為傳感器，通過(guò)測(cè)量其電阻值來(lái)確定溫度的儀器。這種測(cè)量方法為非電量的電測(cè)法，它可以將各種非電量，如長(zhǎng)度、位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，如電阻、電壓、電流、電感和電容等，然后用電學(xué)儀器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。由于金屬氧化物半導(dǎo)體的

2、電阻值對(duì)溫度的反應(yīng)很靈敏，因此可以作為溫敏傳感器。為實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)法，采用電學(xué)儀器來(lái)測(cè)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?yàn)殡娏餍r(shí)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(shí)，熱敏電阻的阻值主要與外界溫度有關(guān)，電流的影響可以忽略不計(jì)。半導(dǎo)體溫度計(jì)測(cè)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(jì)，RT為熱敏電阻，當(dāng)電橋平衡時(shí)，表的指示必為零，此時(shí)應(yīng)滿(mǎn)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(jì)中將有電流流過(guò)，若電橋電壓，微安計(jì)內(nèi)阻RG，電橋各臂電阻R1、R2、R3已定，就可以根據(jù)微安計(jì)的讀數(shù)IG的大小計(jì)算出RT的大小來(lái)。也就是說(shuō)，微安計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。由上述可知，可由E、RG、R1G、R2確定IG和RT的關(guān)系，如何選定E和R1、R2、R3呢？由電橋原理可知：當(dāng)熱敏電阻的阻值在測(cè)溫量程的下限RT1時(shí)，要求微安計(jì)的讀數(shù)為零（即IG=0），此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，滿(mǎn)足平衡條件。若取R1=R2，則R3=RT1，即R3就是熱敏電阻處在測(cè)溫量程的下限溫度時(shí)的電阻值，由此也就決定了R3的電阻值。當(dāng)溫度

4、增加時(shí)，熱敏電阻的電阻值就會(huì)減小，電橋出現(xiàn)不平衡，在微安計(jì)中就有電流流過(guò)。當(dāng)熱敏電阻處在測(cè)溫量程的上限溫度電阻值RT2時(shí)，要求微安計(jì)的讀數(shù)為滿(mǎn)刻度。此時(shí)，流入微安計(jì)中的電流IG與加在電橋兩端的電壓VCD和R1、R2有關(guān)，由于選取起始狀態(tài)（IG=0時(shí)）是對(duì)稱(chēng)電橋，即 R1=R2，故IG只與VCD和RT2有關(guān)。若流入熱敏電阻RT中的電流IT比流入微安計(jì)內(nèi)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(dāng)R3=RT2時(shí)），可由式（1）確定供電電池的個(gè)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(jì)的電流IG與VCD、R1、R

5、2、R3、RT2的關(guān)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(duì)應(yīng)，也就是和IT相對(duì)應(yīng)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(yīng)的R1和R2的實(shí)際值也可以比計(jì)算值小一些，但不應(yīng)比計(jì)算值大（為什么？）。在本實(shí)驗(yàn)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(dòng)勢(shì)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(gè)可變電阻器R，它的電阻值應(yīng)根據(jù)電橋電路中的總電流來(lái)選擇。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用半導(dǎo)體熱敏電阻作為傳感器，設(shè)計(jì)制作一臺(tái)

6、測(cè)溫范圍為2070 的半導(dǎo)體溫度計(jì)，參考電路見(jiàn)圖3.5.3-3。1 設(shè)計(jì)要求（1） 在所測(cè)量的溫度范圍內(nèi)，要求作為溫度計(jì)用的微安計(jì)的全部量程均能有效地利用，即當(dāng)溫度為20時(shí)，微安計(jì)指示為零；而溫度為70時(shí)，微安計(jì)指示為滿(mǎn)刻度。（2） 要求長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量（如幾分鐘）時(shí)，微安計(jì)的讀數(shù)應(yīng)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(jì)、電阻器、烙鐵、電阻箱、電池、多擋開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線、多用表、恒溫水浴等。3 參考設(shè)計(jì)方案（1） 在坐標(biāo)紙上繪出熱敏電阻的電阻-溫度曲線，確定所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體溫度計(jì)的下限溫度（20）所對(duì)應(yīng)的電阻值RT1和上限溫度（70）所對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)中采用的熱敏電阻的實(shí)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(cè)量溫度的下限電阻值，由式（3）計(jì)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(nèi)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(duì)照實(shí)驗(yàn)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(xué)會(huì)焊接，防止重焊、虛焊、漏焊、斷路。焊接時(shí)K1放在1擋，電流計(jì)“+”端與E處要最后連接，以免損壞電表。（5） 標(biāo)定溫度計(jì)1） R1和R2的調(diào)節(jié)和測(cè)量：開(kāi)關(guān)置于1擋，撥下E處接線，

8、斷開(kāi)微安計(jì)，用多用表檢查R1和R2，使之阻值達(dá)到式（3）的計(jì)算值（可以取比計(jì)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(kāi)關(guān)置于3位置，令電阻箱的阻值為測(cè)量下限溫度（20）所對(duì)應(yīng)的RT1，調(diào)節(jié)電位器R3，使電表指示為零（注意，在以后調(diào)節(jié)過(guò)程中，R3保持不變）。然后，使電阻箱的阻值為上限溫度（70）所對(duì)應(yīng)的RT2，調(diào)節(jié)電位器R，使微安計(jì)滿(mǎn)量程。3） 開(kāi)關(guān)置于2擋，調(diào)節(jié)電位器，R4，使微安計(jì)滿(mǎn)量程，這時(shí)，R4=，RT2。4） 開(kāi)關(guān)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(gè)電阻值。電阻箱逐次選擇前面所取的電阻值，讀出微安計(jì)的電流讀數(shù)I。將圖3

9、.5.3-5的表盤(pán)刻度改成溫度的刻度。另外，作出對(duì)應(yīng)的I-T曲線并與表盤(pán)刻度比較。（6） 用實(shí)際熱敏電阻代替電阻箱，整個(gè)部分就是經(jīng)過(guò)定標(biāo)的半導(dǎo)體溫度計(jì)。用此溫度計(jì)測(cè)量?jī)蓚€(gè)恒溫狀態(tài)的溫度（如35、55）。讀出半導(dǎo)體溫度計(jì)和恒溫水浴自身的溫度，比較其結(jié)果。4 注意事項(xiàng)（1） 所要定標(biāo)的溫度點(diǎn)，應(yīng)從熱敏電阻的電阻-溫度曲線上讀取。（2） 校準(zhǔn)溫度時(shí)，必須找到設(shè)計(jì)時(shí)使用的那個(gè)熱敏電阻，實(shí)際完畢后，請(qǐng)焊下所有元件，儀器歸位。數(shù)據(jù)分析： 1 在坐標(biāo)紙上繪出熱敏電阻的電阻-溫度曲線如圖：確定所設(shè)計(jì)的溫度計(jì)的下限溫度和上限溫度所對(duì)應(yīng)的電阻值，選取=1V， 2 令，由公式和3計(jì)算出橋臂電阻， 3 標(biāo)定溫度計(jì)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(cè)量?jī)蓚€(gè)已