熱敏電阻溫度特性及熱敏電阻溫度計的設(shè)計.doc

熱敏電阻溫度特性及熱敏電阻溫度計的設(shè)計熱敏電阻是對溫度變化表現(xiàn)出非常敏感的一種半導(dǎo)體電阻元件，它能測量出溫度的微小變化，并且體積小，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。因此，它在測溫技術(shù)、無線電技術(shù)、自動化和遙控等方面都有廣泛的應(yīng)用。利用熱敏電阻作為感溫元件，并且配有溫度顯示裝置的溫度儀表稱為熱敏電阻溫度計。熱敏電阻能把溫度信號變成電信號，從而實(shí)現(xiàn)了非電量的測量。值得提出的是，電量測量是現(xiàn)代測量技術(shù)中最簡便的測量技術(shù)，不僅測量裝置簡單、造價低、靈敏度高、而且容易實(shí)現(xiàn)自動化控制，是測量技術(shù)的一個重要的發(fā)展趨勢?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1研究熱敏電阻的溫度特性 2進(jìn)一步掌握非平衡電橋電路原理及應(yīng)用3、了解負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性 4、設(shè)計和安裝一臺熱敏電阻溫度計，并對這臺溫度計的測量誤差進(jìn)行測試和評價【實(shí)驗(yàn)原理】內(nèi)容1 熱敏電阻的溫度特性 1、測量原理 熱敏電阻的基本特性是它的溫度特性，許多材料的電阻隨溫度的變化而發(fā)生變化，純金屬和許多合金的電阻隨溫度增加而增加，它們具有正的電阻溫度系數(shù)。另外像炭、玻璃、硅和鍺等材料的電阻隨溫度的增加而減小，具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。在半導(dǎo)體中原子核對價電子的約束力要比金屬中大，因而自由載流子數(shù)少，故半導(dǎo)體的電阻率較大而純金屬的電阻率較小。由于半導(dǎo)體中載流子數(shù)目是隨著溫度的升高而按指數(shù)規(guī)律急劇增加，載流子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電阻率就越小，因此半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高電阻率將按指數(shù)規(guī)律減少。如溫度由變至?xí)r，由鉑絲材料制成的電阻，其阻值變化10倍左右；而熱敏電阻的阻值在上述溫度變化相同的情況下變化可達(dá)到倍。實(shí)驗(yàn)表明，在一定溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體材料的電阻率和絕對溫度T的關(guān)系可表示為：其中、b為常數(shù)，僅與材料的物理性質(zhì)有關(guān)。 由歐姆定律得熱敏電阻的阻值： （1） 上式中令 、S、L分別為熱敏電阻的橫截面積和電極間的距離。 對式（1）取對數(shù)有：或?qū)懽?(線性變化關(guān)系) 式中，改變被測樣品的溫度,分別測出不同的溫度T以及對應(yīng)的值，重復(fù)710次，可用圖解法、計算法或最小二乘法求出A、a、b值。2、測量電路 測量電路如圖a所示，利用惠斯通電橋測定被測樣品在不同溫度下的阻值，由電路平衡可知，被測樣品的電阻為： 在用實(shí)驗(yàn)測量熱敏電阻時, 不能單獨(dú)構(gòu)成一橋臂，應(yīng)按照圖b所示的電路。適當(dāng)選取、 和，使得橋路的電阻變化關(guān)系在測量范圍之內(nèi)，并使所在橋臂總電阻的變化很小，且使檢流計的偏轉(zhuǎn)與溫度的變化盡量呈線性關(guān)系 。3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 熱敏電阻的溫度特性研究，通過電路進(jìn)行測量求出a、b值。圖b （1）按圖a實(shí)驗(yàn)裝置接好電路，安裝儀器。 （2）在容器內(nèi)盛入水，開啟直流電源開關(guān)，在電熱絲中通以2.5A3.0A的電流；對水加熱，使水溫逐漸上升，溫度由水銀溫度計讀出。熱敏電阻的兩條引出線連接到惠斯通電橋的待測電阻的兩接線柱上。 （3）測試的溫度從20開始，每增加5，測量電阻阻值，直到60止。熱敏電阻溫度計的設(shè)計1、測量原理1.1負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性圖2 非平衡電橋圖1 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性熱敏電阻按其溫度特性可分為正溫度系數(shù)型、負(fù)溫度系數(shù)型及開關(guān)型三大類。其中負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻其以錳、鈷、銅和鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制成。這些金屬氧化物都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，溫度低時，載流子數(shù)目小，因此阻值高；溫度高時，載流子數(shù)目急劇增加，因此阻值急劇下降，如圖1所示，其方程可表示為： （1）1.2非平衡電橋非平衡電橋電路如圖2所示，當(dāng)R1=R2（對稱電橋）及Rt=R3時，電橋平衡，G指零如果Rt的阻值發(fā)生變化，則電橋的平衡條件被破壞，G中就有電流通過，指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)越大，說明Rt變化也越大。 根據(jù)橋路的基爾霍夫方程：解出： （2）由式（2）看出，在R1（R2），R3 ，Rg 及Ucd恒定條件下，Ig的大小唯一地由Rt值來決定，因而有可能根據(jù)G 偏轉(zhuǎn)的大小來直接指示溫度的高低。圖3 熱敏電阻溫度計的實(shí)驗(yàn)電路圖1.3 熱敏電阻溫度計的實(shí)驗(yàn)電路熱敏電阻溫度計的實(shí)驗(yàn)電路如圖3 所示，1.4. 電路參數(shù)的設(shè)計與計算圖3 電路中需要設(shè)計計算的參數(shù)有四個，下面分別介紹：(1) Ucd 是橋路的工作電壓，一般取1.3V。(2) R3值的確定R3 放在下限溫度t1的溫度場中，它的阻值為Rt1，放在上限溫度t2的溫度場中，它的阻值為Rt2，Rt1和Rt2都可以在熱敏電阻的溫度特性曲線上查到。確定R3大小的原則是，當(dāng)熱敏電阻處于t1溫度時，微安表應(yīng)指零。這樣，在R1=R2的條件下，R3必須等于Rt1。(3) R1的確定若溫度計的測溫上限Rt2，微安表應(yīng)滿偏即： (3)將（3）式代入（2）式中得： （4）由（4）式得： （5）上式中的Rg和Igm由實(shí)驗(yàn)室給出。（4）R4的確定測量前，必須將K2扳至“?！保康氖切?zhǔn)工作電壓Ucd，使其剛好等于設(shè)計值。“?！钡哪康囊彩菫榱诵?zhǔn)刻度值，使Rt=Rt2時，Ig=Igm與（3）式相符。一般作法是將R4的值固定為Rt2，這樣當(dāng)K2扳至“?！睍r，就相當(dāng)于把感溫元件置于溫度為t2的溫度場中，此時微安表應(yīng)滿偏。如果未能指向滿偏，則說明Ucd未能達(dá)到設(shè)計值，需仔細(xì)旋轉(zhuǎn)電位器R的旋鈕，直至微安表滿偏。再將K2扳至“測”，進(jìn)入測量狀態(tài)。圖4 定標(biāo)曲線1.5 制作定標(biāo)曲線描繪出一條定標(biāo)曲線，如圖4所示。既能顯示電流值，又能顯示溫度值。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1 設(shè)計電路參數(shù)Ucd，R1（R2），R3 和R4 。2.2 把R1（R2 ），R3 和R4 調(diào)到設(shè)計值，并且安裝成一臺熱敏電阻溫度計。2.3 用一只酒精溫度計（作為標(biāo)準(zhǔn)）對這臺熱敏電阻溫度計進(jìn)行校驗(yàn)（與后邊互應(yīng)），對其測量誤差做出判斷。注意事項(xiàng)：1、在測量熱敏電阻是