實(shí)驗(yàn)2-用非平衡電橋研究熱敏電阻的溫度特性

1、實(shí)驗(yàn) 2 用非平衡電橋研究熱敏電阻的溫度特性【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 掌握非平衡電橋的工作原理。2 了解金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的規(guī)律。3 了解熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系。4 學(xué)習(xí)用非平衡電橋測(cè)定電阻溫度系數(shù)的方法?！緝x器用具】FB203 型多檔恒流智能控溫實(shí)驗(yàn)儀、 QJ23 直流電阻電橋、 YB2811 LCR 數(shù)字電橋、 MS8050 數(shù)字表。【原理概述】1 金屬導(dǎo)體電阻金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而增加， 電阻值 Rt 與溫度 t 間的關(guān)系常用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示：Rt R0 (1 t bt2 ct3)1式中Rt是溫度為t時(shí)的電阻，Ro為t 00C時(shí)的電阻，b,c為常系數(shù)。在很多情況下， 可只取前三項(xiàng)

2、：Rt R0 (1 t bt2)2因?yàn)槌?shù) b 比 小很多，在不太大的溫度范圍內(nèi)， b 可以略去，于是上式可近似寫成：Rt R0(1 t)3式中 稱為該金屬電阻的溫度系數(shù)。嚴(yán)格地說，與溫度有關(guān)，但在 00C 1000C范圍內(nèi)，的變化很小，可看作不變。利用電阻與溫度的這種關(guān)系可做成電阻溫度計(jì)，例如鉑電阻溫度計(jì)等，把溫度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成電阻的測(cè) 量，既方便又準(zhǔn)確，在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得金屬的 Rt t關(guān)系曲線圖1近似為一條直線，斜率為 R0，截距為R0。 根據(jù)金屬導(dǎo)體的 Rt曲線，可求得該導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)。方法是從曲線上任取相距較遠(yuǎn)的兩 點(diǎn)ti, Ri丨及(t2,R2)，根據(jù)3式有：聯(lián)立

3、求解得:RiRoR0 tiR2RiRi 12R2 ti42 半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，是一種敏感元件。其特點(diǎn)是在一定的溫度范圍內(nèi)，它的電阻 率T隨溫度T的變化而顯著地變化，因而能直接將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。一般半導(dǎo)體 熱敏電阻隨溫度升高電阻率下降，稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻簡(jiǎn)稱“NTC 元件，其電阻率隨熱力學(xué)溫度T的關(guān)系為AoeB/T5式中Ao與B為常數(shù)，由材料的物理性質(zhì)決定。也有些半導(dǎo)體熱敏電阻，例如鈦酸鋇摻入微量稀土元素，采用陶瓷制造工藝燒結(jié)而成的熱 敏電阻在溫度升高到某特定范圍居里點(diǎn)時(shí)，電阻率會(huì)急劇上升，稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻簡(jiǎn)稱“ PTC元件。其電阻率的溫度特性為：6式

4、中A、B為常數(shù)，由材料物理性質(zhì)決定。在本實(shí)驗(yàn)中我們使用的是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。對(duì)于截面均勻的“ NTC 元件，阻值 Rt由下式表示:RtJ_TSI B/TeS式中I為熱敏電阻兩極間的距離，S為熱敏電阻橫截面積。令 A Ao丄，那么有:SRt AeB/T2所示，可見其對(duì)溫度上式說明負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律下降，如圖 的敏感程度比金屬電阻等其它感溫元件要高得多。由于具有上述性質(zhì)，熱敏電阻被廣泛應(yīng)用于 精密測(cè)溫和自動(dòng)控溫電路中。對(duì)8式兩邊取對(duì)數(shù)，得9Rt和對(duì)應(yīng)的T值，通過作圖法可1.38 10 23 J/K，將B與k值代入101In Rt B In AT可見m rt與1成線性關(guān)

5、系，假設(shè)從實(shí)驗(yàn)中測(cè)得假設(shè)干個(gè) 求岀A由截距In A求岀和B 即斜率。半導(dǎo)體材料的激活能E Bk，式中k為玻耳茲曼常數(shù)k可求岀E。根據(jù)電阻溫度系數(shù)的定義:1 d T 1 dRTt dTRt dT將8式代入可求岀熱敏電阻的電阻溫度系數(shù):11BT7對(duì)于給定材料的熱敏電阻，在測(cè)得B值后，可求岀該溫度下的電阻溫度系數(shù)3 非平衡電橋用惠斯通電橋測(cè)量電阻時(shí)，電橋應(yīng)調(diào)節(jié)到平衡狀態(tài)，此時(shí)|g 0。但有時(shí)被測(cè)電阻阻值變化很快如熱敏電阻，電橋很難調(diào)節(jié)到平衡狀態(tài)，此時(shí)用非平衡電橋測(cè)量較為方便。非平衡電橋是指工作于不平衡狀態(tài)下的電橋，如圖3所示。我們知道，當(dāng)電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)G中無(wú)電流通過。如果有一橋臂的阻值發(fā)生變化，

6、那么電橋失去平衡，lg 0，lg的大小與該橋臂阻值的變化量有關(guān)。如果該電阻為熱敏電阻，那么其阻值的變化量又與溫度改變量有關(guān)。 這樣，就可以用|g的大小來(lái)表征溫度的上下，這就是利用非平衡電橋測(cè)量溫度的根本原理。下面我們用支路電流法求岀|g與熱敏電阻rt的關(guān)系。橋路中電流計(jì)內(nèi)阻 &，橋臂電阻r2、R3、R4和電源電動(dòng)勢(shì) E均為量，電源內(nèi)阻忽略不計(jì)A、B、D三個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流方程如根據(jù)基爾霍夫第一定律，并注意附圖中的電流參考方向，圖3下:節(jié)點(diǎn) A : I 11 I 3節(jié)點(diǎn) B: I1 I2 I g節(jié)點(diǎn) D: I3 Ig 14根據(jù)基爾霍夫第二定律，并注 意到圖中各雙向標(biāo)量的參考方向， 3個(gè)網(wǎng)孔的回

7、路電壓方程如下：回路I： 1尺 IgRg I3R3 0回路n： I2R2 I4R4 IgRg 0 回路皿：E I3R3 I4R4解以上6個(gè)聯(lián)立方程可得：12)(R2R3 RtR4)e由上式可知，當(dāng) R2R3 RtR4時(shí)，I g0,電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)R2 R3 Rt R4 時(shí)，I g 0，表示Ig的實(shí)際方向與參考方向相同；當(dāng)R2 R3 RT R4時(shí)，Ig 0，表示I g的實(shí)際方向與參考方向相反。將12丨式整理后求得熱敏電阻Rt :R2R3E I g ( R2 R3R4 Rg R2R3 Rg R2 R4)I g (R2 R3 R3 R4 R4 R2 Rg R3 Rg R4) R4 E(13)從上

8、式和8式可以看岀，Ig與Rt以及Rt與T都是一一對(duì)應(yīng)的，也就是說Ig與T有著確定的關(guān)系。如果我們用微安表測(cè)量Ig，并將微安表刻度盤的電流分度值改為溫度分度值，這樣的組合就可以用來(lái)測(cè)量溫度，稱為半導(dǎo)體溫度計(jì)。用熱敏電阻做溫度計(jì)的探頭，具有體積小，對(duì)溫度變化反響靈敏和便于遙控等特點(diǎn)，在測(cè)溫技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】本實(shí)驗(yàn)研究熱敏電阻和銅絲電阻的溫度特性。在老師指導(dǎo)下連接電路，用FB203型多檔恒流智能控溫實(shí)驗(yàn)儀加熱 熱敏電阻和銅電阻、用QJ23直流電阻電橋測(cè) 銅電阻電阻值、用YB28119 RT R2 R3 R2R3 R4 R3 R4RT R4 RT R2 Rg (RT R2 )( R3 R4 )LCR數(shù)字電橋測(cè)正溫度熱敏電阻阻值、用MS8050數(shù)字表測(cè)負(fù)溫度熱敏電阻阻值。每升溫度5攝氏度測(cè)一組電阻值，到90攝氏度。根據(jù)公式13計(jì)算各溫度t對(duì)應(yīng)的熱敏電阻的值 Rt升溫、冷卻或兩者平均值三種情況， 任選一種，以Rt為縱軸，t為橫軸作岀Rt t曲線。111計(jì)算丄T為熱力學(xué)溫度及相應(yīng)的In Rt值，以In 為縱軸，丄為橫軸作岀In RT圖,TTT應(yīng)為一條直線，求岀其斜率B，截距In A,寫岀熱敏電阻的 Rt T關(guān)系式，并計(jì)算岀各溫度的電阻溫度系數(shù)。以Rt為縱軸，t為橫軸，作岀銅電阻的 Rt t曲線，由曲線求岀金屬銅電阻的溫度系