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1、半导体温度计的设计和制作5-06级数学系pb06001093 蔡园青 4月27号实验目的：要求测试温度在2070 C的范围内，选用合适的热敏 电阻和非平衡电桥线路来设计一台半导体温度计。实验仪器：热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、烙铁、 电阻箱、电池、多档开关、导线、多用表、恒温水浴等。实验原理：半导体温度计就是利用半导体的电阻值随温度急剧变化的 特性而制作的，以半导体热敏电阻为传感器， 通过测量其电阻值 来确定温度的仪器。这种测量方法为非电量的电测法，它可以将各种非电量，如长度、位移、应力、应变、温度、光强等转变成 电学量，如电阻、电压、电流、电感和电容等，然后用电学仪器 来进行测量
2、。由于金属氧化物半导体的电阻值对温度的反应很灵敏，因此可以作为温敏传感器。为实现非电量的电测法，采用电学仪器来测量热敏电阻的阻 值，还需要了解热敏电阻的伏安特性。由图 3.5.3-1 可知，在 V-I曲线的起始部分，曲线接近线性，这是因为电流小时在热敏 电阻上消耗的功率不足以显著地改变热敏电阻的温度，因而符合欧姆定律。此时，热敏电阻的阻值主要与外界温度有关，电流的 影响可以忽略不计。得上51购*电用状安杼性据我 1-5-3-2痣*通阐潴也电蹈弹建整半导体温度计测温电路的原理图如图3.5.3-2所示（仅供参考），图中G是微安计，RT为热敏电阻，当电桥平衡时，表的指 示必为零，此时应满足条件 且良
3、，若取R=R,则R的数值即R2 Rt 7为R的数值。平衡后，若电桥某一臂的电阻又发生改变（如R）,则平衡将受到破坏，微安计中将有电流流过，若电桥电压，微安 计内阻RG,电桥各臂电阻 R、R、R已定，就可以根据微安计的 读数Ig的大小计算出 R的大小来。也就是说，微安计中的电流 的大小直接反映了热敏电阻的阻值的大小，因此就可以利用这种“非平衡电桥”的电路原理来实现对温度的测量。由上述可知，可由 E、RG、Rg、R确定Ig和R的关系，如何 选定E和Ri、R、R呢？由电桥原理可知：当热敏电阻的阻值在 测温量程的下限RTi时，要求微安计的读数为零（即Ig=0）,此时 电桥处于平衡状态，满足平衡条件。若
4、取R尸也则R=Ri,即R就是热敏电阻处在测温量程的下限温度时的电阻值，由此也就决定了 R的电阻值。当温度增加时，热敏电阻的电阻值就会减小，电桥出现不平衡，在微安计中就有电流流过。当热敏电阻处在测温量程的上限温度电阻值 舟2时，要求微安计的读数为满刻度。此时，流入微 安计中的电流Ig与加在电桥两端的电压 Vcd和R、R有关，由于选取起始状态（Ig=0时）是对称电桥，即 R产R,故Ig只与Vcd和RT2有关。若流入热敏电阻 R中的电流It比流入微安计内的电 流I G大得多（即It %）,则加在电桥两端上的电压 d近似有Vcd It（R3 R）(1)根据所选定的热敏电阻的最大工作电流 （当R=R2时
5、），可由式（1）确定供电电池的个数。根据图3.4.3-2的电桥电路，由基尔霍夫方程组可以求出流入微安计的电流Ig与Vcs R、R、R、Rr2的关系：R2Rt2VcdRiR2R3RT2R1R2R3RT2RiR2R3RT2(2)由于R=R、R=Ri,整理后有Ri 2VCD(1 -T) 2(Rg t-)Ig 2 Rti Rt2Rti Rt2(3)由式（3）就可以最后确定 R （R）的数值。这样确定的 R 和R是与选择的VCd相对应，也就是和It相对应的，由式（1）,它取决于所选择的It, It小一些，则 Vcd也小一些，相应的 R和R的实际值也可以比计算值小一些，但不应比计算值大（为什么？）。在本实
6、验中，可以选取 VcD=1V,代入式（3）,可得Rio一般加在电桥两端的电压 Vcd比所选定的电池的电动势要低些，为了保证电桥两端所需的电压，通常在电源电路中串联一个可变电阻器R它的电阻值应根据电桥电路中的总电流来选择。实验内容用半导体热敏电阻作为传感器，设计制作一台测温范围为2070 C的半导体温度计，参考电路见图 3.5.3-3。图33 3-3半导体M度计靠等霸路1. 设计要求（1）在所测量的温度范围内，要求作为温度计用的微安计的全部量程均能有效地利用，即当温度为 20c时，微安计指示 为零；而温度为70c时，微安计指示为满刻度。（2）要求长时间的测量（如几分钟）时，微安计的读数应稳定.不
7、变。2. 可提供的仪器和元件热敏电阻、待焊接的电路板、微安计、电阻器、烙铁、电阻箱、 电池、多挡开关、导线、多用表、恒温水浴等。3. 参考设计方案（1）在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻 -温度曲线，确定所设计 的半导体温度计的下限温度（20C）所对应的电阻值 Ri和 上限温度（70C）所对应的电阻值FT2o再由热敏电阻的伏 安特性曲线确定最大工作电流It。根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取VCd=1V,它可以保证热敏电阻工作在 它的伏安特性曲线的直线部分。（2）令鼻=鼻，即测量温度的下限电阻值，由式（3）计算出桥 臂电阻R和R的电阻值。式中A为量程上限温度的电阻值； FG为微安表的内阻。（3
8、）熟悉线路原理图（图3.5.3-2 ）和底版配置图（图3.5.3-4 ）, 对照实验所用元件、位置及线路的连接方向。（4）注意正确使用电烙铁，学会焊接，防止重焊、虚焊、漏焊、 断路。焊接时Ki放在1挡，电流计“ +”端与E处要最后连 接，以免损坏电表。（5）标定温度计1） R和R的调节和测量：开关置于 1挡，拨下E处接线，断 开微安计，用多用表检查 R和R,使之阻值达到式（3）的；.O圈3.5J 4底用配置窗3)4)计算值（可以取比计算值略小的整数）将电阻箱接入接线柱 A和B,用它代替热敏电阻，开关置于 3位置，令电阻箱的阻值为测量下限温度（20C）所对应的A,调节电位器 R,使电表指示为零（
9、注意，在以后调节 过程中，R保持不变）。然后，使电阻箱的阻值为上限温度（70C）所对应的R2,调节电位器R,使微安计满量程。开关置于2挡，调节电位器，R,使微安计满量程，这时， R二, Rt2o开关置于3挡，从热敏电阻的电阻-温度特性曲线上读出温 度20c70C,每隔2.5 C读一个电阻值。电阻箱逐次选 择前面所取的电阻值，读出微安计的电流读数I o将图3.5.3-5 的表盘刻度改成温度的刻度。另外，作出对应的 I-T曲线弁与表盘刻度比较。PA包国L5ST 暨甘豪热倒度(6)用实际热敏电阻代替电阻箱，整个部分就是经过定标的半 导体温度计。用此温度计测量两个恒温状态的温度(如35C、55C)O读
10、出半导体温度计和恒温水浴自身的温度， 比较其结果。4. 注意事项(1)所要定标的温度点，应从热敏电阻的电阻-温度曲线上读取。(2)校准温度时，必须找到设计时使用的那个热敏电阻，实际 完毕后，请焊下所有元件，仪器归位。数据分析：1 在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻-温度曲线如图:.35002500 _200015001000500BExpDecI fit of Data1_BRR3000t/C确定所设计的温度计的下限温度和上限温度所对应的电阻值，选取VCD =1V,R2&22 令 R3 RT1,由公式 IgR1 Fg R3 先和3rR1 R2R3RT2G R R2 R3 RT2W 2V空（1Rt2）
11、2氏Rt1Rt2 ）计算出桥臂电阻1 G 2 RT1RT2RT1RT2R R2 4853 ,3标定温度计所得数据如下表：温度电阻值电流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根据上表绘得I-T曲线为:I-t 图测量两个已知温度59 C得电流指向44.0mA和38.8 C得电流表指向24.0mA,比较结果知道44.0mA时温度大约59.5 C , 24.0mA时温度大约39.0 C。相对误差：I 44.0mA时,| 59.5 C 59 C | 08% 59 CI 24.0mA 时,|39.0C 附8 C| 0.5%38.8 C相对误差符合设计要求。误差分析：1.在读电流表示数时的误差;2.在根据半导体电阻的温度-电阻图读取数据时的误 差，这是误差的主要来源。思考题：因为若不这样做，电路中有电流流过，此时若用万用表 测Ri、R2,测出来的电阻值是不准确的。