半導體溫度計的設(shè)計與制作胡

1、Laughing ManJ05 級數(shù)學系PB050010674+J實驗?zāi)康陌雽w溫度計的設(shè)計與制作ll采用合適的半導體熱敏電阻傳感器和非平衡電橋線路設(shè)計制作一臺半導體溫度計；了解傳感器的應(yīng)用和非電學量的電測法。實驗要求l在要求的溫度測量范圍 2070 的內(nèi)，作溫度計用的微安計的全部量程均能有效地利用， 即 20時，微安計指示為零； 70時，指示為滿刻度。長時間（幾分鐘）的測量時，微安計的讀數(shù)應(yīng)穩(wěn)定不變。l實驗原理半導體溫度計是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化急劇的特性制作的，通過測量熱敏電阻的阻值來確定溫度的儀器。應(yīng)根據(jù)待測溫度區(qū)間和熱敏電阻的阻值選用合適電學元件和測溫電路。為測量熱敏電阻的阻值，

2、需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，因電流很太小，溫度變化微小，曲線接近線性。此時其阻值主要與外界溫度有關(guān)。半導體溫度計測溫電路的“非平衡電橋”電路原理圖如圖 3.5.3-2 所示，圖中G 是微安計，1Laughing ManJ05 級數(shù)學系PB05001067R 為熱敏電阻，當電橋平衡時，表的讀數(shù)為零，此時 R1 =，實驗中取 R =R ，則 R = R 。平衡R3T12T3R2RT后，若電橋某一臂的電阻發(fā)生改變（如 RT），則平衡將受破壞，微安計中流過電流。固定電橋電壓，微安計內(nèi)阻 RG，電橋各臂電阻 R1、R2、R3 ，就可根據(jù)微安計的讀數(shù)

3、IG 的大小計算出 RT ，進而間接測量溫度。熱敏電阻的阻值在測溫量程的下限 RT1 時，要求電橋處于平衡狀態(tài)，由電橋原理，微安計的讀數(shù) IG=0 ，此時滿足平衡條件。取 R1=R2，則 R3=RT1，即 R3 就是熱敏電阻在量程下限時的電阻值，由此也就決定了 R3 的電阻值。溫度增加時，熱敏電阻阻值減小，平衡受破壞，微安計中流過電流。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 只與 VCD 和RT2 有關(guān)。若有 IT >> IG ，則近似地有= IT (R3 + R)VCD（1）所以根據(jù)熱敏電阻的最大工作電流（當

4、R3=RT2 時），可利用上式確定電池個數(shù)。所選電池的電動勢應(yīng)高于加在電橋兩端的電壓 VCD ，為了提供電橋兩端所需的電壓，通常需在干路中串聯(lián)一個可變電阻器 R，它的電阻值應(yīng)根據(jù)電橋電路中的總電流來選擇。由基爾霍夫方程組求出R2RT 2-R1 + R2R3 + RT 2I=V（2）GCDR RR R+1 2 +3 T 2 RGR + RR + R123T 2令 R1=R2、R3=RT1 得= 2VCD(1 -RT 2RT1 RT 2) - 2(R +R)（3）1GI2R+ RR+ RGT1T 2T1T 2由式（3）就可以確定 R1 和 R2 。這樣確定的 R1 和 R2 是與選擇的 VCD 相

5、對應(yīng)，也就是和 IT 相對應(yīng)的，分析式（1），IT 小一些會使 VCD 也小一些，相應(yīng)的 R1 和 R2 的實際值也可比計算值小一些。本實驗中，可取 VCD=1V 計算 R1 。實驗器材熱敏電阻、電阻器、電阻箱、微安計、多用、電池、多擋開關(guān)、導線、電路板（待焊接）、烙鐵、恒溫水浴等。2Laughing ManJ05 級數(shù)學系PB05001067設(shè)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(shè)計的半導體溫度計的下限溫度（20）所對應(yīng)的電阻值 RT1 和上限溫度（70）所對應(yīng)的電阻值 RT2。再由熱敏電阻的伏安特性曲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

6、VCD=1V，以保證熱敏電阻在它的伏安特性曲線的直線部分工作。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(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。5.標定溫度計a)R1 和 R2 的調(diào)節(jié)和測量：開關(guān)置于 1 擋，撥下 E 處接線，斷開微安計，用多用表檢查 R1和 R2，使之阻

7、值達到式（3）的計算值（可以取比計算值略小的整數(shù)）。b)將電阻箱接入接線柱 A 和 B，用它代替熱敏電阻，開關(guān)置于 3 位置，令電阻箱的阻值為測量下限溫度（20）所對應(yīng)的 RT1，調(diào)節(jié)電位器 R3，使指示為零（注意，在以后調(diào)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(yīng)的 RT2，調(diào)節(jié)電位器 R，使微安計滿量程。（為什么調(diào) R 可使3滿刻度？）Laughing ManJ05 級數(shù)學系PB05001067c)開關(guān)置于 2 擋，調(diào)節(jié)電位器，R4，使微安計滿量程，這時，R4=，RT2。（其目的何在？）d)開關(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，

8、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3.5.3-5 的表盤刻度改成溫度的刻度。另外，作出對應(yīng)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(jīng)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(jié)果（也可試測的體溫或室溫）。注意事項lll所要定標的溫度點，應(yīng)從熱敏電阻的電阻-溫度曲線上校準溫度時，必須找到設(shè)計時使用的熱敏電阻。實驗完畢，焊下所有元件，儀器歸位。數(shù)據(jù)和處理給出的熱敏電阻的相關(guān)參數(shù)及在及某些溫度下的阻值如下表：4 號 實 驗 臺RG=41

9、63T / R / T / R / 15.0315850.0934IG=50A20.0259455.079225.0215660.0676UCD=1V30.0183865.058235.0152370.0502作R-T曲線計算R140.0129875.043945.01092Laughing ManJ05 級數(shù)學系PB05001067于是作R-T 曲線如下：可看出 RT1=2594 RT2=502 ,于是= 2VCDRT 2RT1 RT 2( 1 -R = R) - 2(R +) = 4347W12I2R+ RGR+ RGT1T 2T1T 2實驗中取R1 = R2 = 4000W即可。實驗中的

10、數(shù)據(jù)如下表所示：5Laughing ManJ05 級數(shù)學系PB05001067T / 20.025.030.035.040.045.050.055.060.065.070.0R / 259421561838152312981092934792676582502據(jù)此繪制表盤：校準并總結(jié)T / 35.755.3校準低溫高溫偏轉(zhuǎn)格數(shù)19.739.9T / 35.055.0實際低溫高溫偏轉(zhuǎn)格數(shù)20.040.2比較知：20.0 - 19.7 = 1.5%低溫時，相對誤差為20.04.02 - 39.9 = 0.75%高溫時，相對誤差為40.2均在可接受的范圍之內(nèi)，本次實驗較為。(可以)要做 I-t 曲線思考題：6偏轉(zhuǎn)格數(shù)0.07.013.520.025.030.935.340.243.947.350.0Laughing ManJ05 級數(shù)學系PB05001067l為什么在測 R1 和 R2 時，需將開關(guān)置于 1 檔，拔下