《熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)探究》10000字（論文）

熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)研究摘要在人們的生活中,溫度是一個(gè)經(jīng)常測(cè)量的變量,與人們的生活息息相關(guān)。傳統(tǒng)意義上的溫度計(jì)的缺點(diǎn)是溫度讀取不靈敏,精確度差,并且讀取的溫度存在很大的誤差等。在很多的重要領(lǐng)域中,對(duì)溫度精確度有很大方面的要求。本論文根據(jù)非平衡電橋，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了熱敏電阻溫度計(jì)；首先通過介紹熱敏電阻電阻測(cè)溫原理以及熱敏電阻的溫度特性介紹了為什么它可以用于設(shè)計(jì)溫度計(jì)，再通過恒壓源電流法也就是伏安法和惠斯通電橋法得到熱敏電阻溫度特性曲線得到熱敏電阻溫度和電阻的關(guān)系，又因非平衡電橋可以得到電流與電阻的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)觀察電流的大小即可得到溫度的度數(shù),通過此原理設(shè)計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)，最后再與常用溫度計(jì)做比較得出熱敏電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)成功與否的結(jié)論。關(guān)鍵詞：非平衡電橋；熱敏電阻的溫度特性；恒壓源電流法；惠斯通電橋法；熱敏電阻溫度計(jì)目錄第一章緒論 11.1課題背景 11.2國內(nèi)外研究的發(fā)展及現(xiàn)狀 21.2.1溫度傳感器的概述及發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.2熱敏電阻溫度計(jì)的概述及發(fā)展現(xiàn)狀 51.3本課題研究的內(nèi)容 6第二章熱敏電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)原理 62.1平衡電橋 62.2熱敏電阻溫度特性 82.2.1銅熱電阻的溫度特性 82.2.2熱敏電阻的溫度特性 92.3非平衡電橋 10第三章熱敏電阻溫度特性曲線 113.1熱敏電阻電阻—溫度特性 113.2惠斯通電橋法 123.2.1實(shí)驗(yàn)原理 123.2.2實(shí)驗(yàn)儀器 123.2.3實(shí)驗(yàn)過程與方法 123.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 133.3恒壓源電流法 143.3.1實(shí)驗(yàn)原理 143.3.2實(shí)驗(yàn)儀器 153.3.3實(shí)驗(yàn)過程與方法 153.3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 153.4數(shù)據(jù)處理 17第四章熱敏電阻溫度計(jì)電路設(shè)計(jì) 184.1實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì) 184.2電路參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 194.3電阻參數(shù)的確定 214.4實(shí)驗(yàn)過程及方法 214.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果 214.6與水銀溫度計(jì)做比較 23第五章熱敏電阻溫度計(jì)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì) 215.1NTC熱敏電阻的應(yīng)用 215.2NTC熱敏電阻的發(fā)展趨勢(shì) 26結(jié)論 26參考文獻(xiàn) 27第一章緒論1.1課題背景二十一世紀(jì)是我們開始全面進(jìn)入信息化電子化的時(shí)代，隨著時(shí)代的發(fā)展，人類探索空間和領(lǐng)域的能力越來越強(qiáng),使得我們對(duì)電子信息的種類的需求日益增加，所以傳遞信息的速度必須要加快，信息處理能力也要增強(qiáng)。因此，相應(yīng)的信息采集技術(shù)感應(yīng)器技術(shù)必須跟上信息技術(shù)的發(fā)展。它是人類探索大自然信息的觸覺，為人們認(rèn)識(shí)和控制相對(duì)應(yīng)的事物供給了條件和依據(jù)。傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)之一，將是在二十一世紀(jì)中世界各國在高新技術(shù)發(fā)展方向爭奪的一個(gè)重要的方面。隨著科技的發(fā)展，可編程控制器的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來了新的革命。而溫度控制器作為其中的一個(gè)分支，如溫度計(jì)，發(fā)揮著越來越重要的作用。在溫度計(jì)的種類中熱敏電阻溫度計(jì)是很重要的一部分。在人類社會(huì)當(dāng)中，溫度控制不僅用于工廠生產(chǎn)[1]。在冶金，化工，電力，造紙，機(jī)械制造，食品加工等諸多領(lǐng)域，人們都需要對(duì)各種加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制[2]。溫度不僅是與人們生活環(huán)境密切相關(guān)的物理量，也是生產(chǎn)，科研，生活中需要測(cè)量和控制的重要物理量。它是七個(gè)基本量之一。其測(cè)控一般采用各種各樣的溫度感應(yīng)器。中國廣泛應(yīng)用在天氣，環(huán)境保護(hù)，紡織，生化等各個(gè)方面。此外，農(nóng)業(yè)，食品，木料，煤炭等行業(yè)對(duì)溫度感應(yīng)器的需求也在不斷地增加。鉑的電阻值隨溫度呈線性變化，具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，所以用它測(cè)溫測(cè)量精度高，被公認(rèn)為制作熱敏電阻的最佳材料?；阢K這種物理性質(zhì)而制成的傳感器被稱為鉑電阻溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器具有穩(wěn)定性好，精度高，適用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。它是中低溫區(qū)200-650℃，最常用的溫度探測(cè)器之一。它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)溫度測(cè)量和我們的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，還被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，覆蓋了國家和世界的測(cè)量和校準(zhǔn)基準(zhǔn)溫度[3]。1.2國內(nèi)外研究的發(fā)展及現(xiàn)狀1.2.1溫度傳感器的概述及發(fā)展現(xiàn)狀上個(gè)世紀(jì)，溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：1.傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件);2.模擬集成溫度傳感器/控制器;3.智能溫度傳感器。傳感器作為當(dāng)今世界信息技術(shù)的前沿高端產(chǎn)品，特別是溫度傳感器在生活中有很重要的地位，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、生活等領(lǐng)域，數(shù)量在眾多傳感器中處于領(lǐng)先地位。進(jìn)入20世紀(jì)后，溫度傳感器正朝著多功能，高精度、高可靠性、總線標(biāo)準(zhǔn)化和安全性、開發(fā)虛擬傳感器以及網(wǎng)絡(luò)傳感器、開發(fā)獨(dú)特的芯片溫度測(cè)量系統(tǒng)等高水平技術(shù)科技方向迅速發(fā)展。目前已研制出多種高精度、高分辨率的溫度傳感器，比如由Dallas半導(dǎo)體公司研制的高分辨率智能溫度傳感器DS1624可產(chǎn)生13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，分辨率高達(dá)0.03125℃。溫度測(cè)量精度為0.2℃。實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)間只有27微秒，世界上一些著名的IC廠商已經(jīng)開始開發(fā)一種獨(dú)特的溫度測(cè)量系統(tǒng)芯片，它是集成在芯片中的一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。其集成度將高達(dá)108-109個(gè)元器件/芯片，將為集成電路及集成電路應(yīng)用產(chǎn)業(yè)帶來劃時(shí)代的進(jìn)步[4]。1.2.2熱敏電阻概述及發(fā)展現(xiàn)狀世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體熱敏電阻出現(xiàn)在30年代末，自1837年以來，人們發(fā)現(xiàn)硫化銀和其他半導(dǎo)體材料具有很大的負(fù)溫度電阻系數(shù)。但由于受當(dāng)時(shí)工業(yè)水平的限制，這些研究成果長期沒有應(yīng)用于實(shí)際，直到1930年以后，人們開始用硫化銀、氧化銅、氧化鈾等半導(dǎo)體材料制造熱敏電阻。但由于材料和工藝都不完善水平較低，元器件質(zhì)量不穩(wěn)定，只能作為補(bǔ)償元件，不能作為電子電路中的測(cè)量元件。到了1940年以后，研究發(fā)現(xiàn)，將過渡金屬氧化物按一定比例混合、成型、燒結(jié)，可以得到具有較大負(fù)溫阻系數(shù)的半導(dǎo)體材料，用這種材料制成的熱敏電阻性能穩(wěn)定，可直接在空氣中使用。所以從1946年往后，一些國家生產(chǎn)的負(fù)溫度系熱敏電阻大多是用這種半導(dǎo)體氧化物材料制成的，其溫度系數(shù)一般在，它們的電阻溫度系數(shù)通常在%/℃范圍以內(nèi)。20世紀(jì)的50年代到60年代初，是熱敏電阻發(fā)展的高峰期，在此期間研制并相繼投產(chǎn)的熱敏電阻有：玻璃態(tài)熱敏電阻（主要是氧化釩），進(jìn)行超低溫測(cè)量的單鍺晶體熱敏電阻，臨界溫度熱敏電阻（由V2O5、P2O5、SiO2-Bao、SrO、Cao等氧化物合成），正溫度系數(shù)熱敏電阻主要以鋇酸鈦材料為主晶。自1956年我國開始研制生產(chǎn)熱敏電阻，并首次應(yīng)用于通信設(shè)備中，1964年以后，由于晶體管電路的廣泛應(yīng)用，熱敏電阻被廣泛用作電路補(bǔ)償元件。隨著科技和國防的發(fā)展，所用到它的地方也日益增多[5]。熱敏電阻是一種電阻隨溫度變化十分明顯的電阻，根據(jù)電阻隨溫度變化的趨勢(shì)，可將熱敏電阻分為PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻，NTC（負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻和CTR（臨界系數(shù)熱敏電阻）由于其互換性好、測(cè)量精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在溫度測(cè)量、控制和溫度補(bǔ)償?shù)确矫娴玫搅藦V泛的應(yīng)用，根據(jù)不同的分類模式可分為不同的類型。根據(jù)使用溫度范圍，熱敏電阻可分為低溫?zé)崦綦娮瑁?60℃），常溫?zé)崦綦娮瑁?60~300℃）和高溫?zé)崦綦娮瑁?00℃以上），低溫?zé)崦綦娮枰驜值低（熱敏常數(shù)），電阻率低，主要由過渡金屬氧化物如Mn、Ni，鈷和鐵。常溫?zé)崦綦娮枋且环N較為成熟的熱敏電阻，通常由半導(dǎo)體材料尖金石氧化物制成。廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度控制、溫度補(bǔ)償，延時(shí)等領(lǐng)域。高溫?zé)崦綦娮枰蚱錅囟确€(wěn)定性高、輸入信號(hào)大而廣泛應(yīng)用于高溫測(cè)量領(lǐng)域Sumi等人[6]研制出工作溫度在6700-8500K，熱敏系數(shù)為-1%~-2%的熱敏電阻。1.3熱敏電阻的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)1.3.1NTC熱敏電阻的應(yīng)用從NTC熱敏電阻的功能來看，可劃分為3種熱敏電阻：功率型NTC熱敏電阻，補(bǔ)償型NTC熱敏電阻和測(cè)溫型NTC熱敏電阻。1.抑制浪涌電流變壓器(功率型)：電源在開關(guān)機(jī)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，產(chǎn)生的電流可能會(huì)損壞元件或?qū)⒈ｋU(xiǎn)絲燒斷。我們可以利用NTC熱敏電阻的電流—電壓特性和電流—時(shí)間特性，將它與負(fù)荷串聯(lián)，能夠有效地抑制這種電流。在電源接通前，熱敏電阻有較大的冷態(tài)電阻，可以抑制電流。在足夠大的電流負(fù)荷下，因自熱可使電阻值下降到原來的1/(10~50)，它所消耗的功率也會(huì)而下降。圖1.1是負(fù)荷接通后的電流曲線。習(xí)慣上將這種功能的產(chǎn)生稱為功率型NTC。圖1.1負(fù)荷接通后的典型電流曲線2.溫度補(bǔ)償：石英振蕩器大多都有較強(qiáng)的溫度依賴性，通常都使用恒溫槽使石英振蕩器的環(huán)境溫度保持一定，這樣能獲得良好的溫度特性。但這樣就使得設(shè)備龐大，所需的費(fèi)用也比較高。現(xiàn)在多采用在石英振蕩器電路內(nèi)設(shè)置溫度補(bǔ)償電路，可以在相當(dāng)廣的溫度范圍內(nèi)獲得良好的溫度特性，如圖1.2所示。這種備有溫度補(bǔ)償電路的石英振蕩器稱為TCXO作為溫度補(bǔ)償元件大多是片式NTC熱敏電阻。這些熱敏元件，與晶體管電路中使用的溫度補(bǔ)償元件相比，在跟蹤性、穩(wěn)定性、可靠性及值精度等方面，都有明顯改進(jìn)。例如，值精度為2%，可靠性高。通常，一個(gè)石英晶體振蕩器有一般使用2~3個(gè)NTC熱敏電阻。圖1.2溫度補(bǔ)償前后石英振蕩器頻率穩(wěn)定性3.溫度檢測(cè)：NTC熱敏電阻的主要應(yīng)用之一是溫度檢測(cè)。智能微機(jī)控制、自動(dòng)化裝置和辦公設(shè)備的不斷普及，使各類測(cè)控更加精確、高效。人們工作更舒適，生活更舒適。溫度信息的采集非常重要。以下是NTC熱敏電阻在溫度控制方面的進(jìn)展。(1)熱水器：熱水器中需要用熱敏電阻設(shè)置最佳水溫，有效地控制輸入的能量。這種熱敏元件既要密封防水，又要對(duì)溫度變化響應(yīng)快，一般采用的晶片型NTC元件，裝在圖1.3所示的銅外殼頂端的水溫傳感器，在水中的時(shí)間常數(shù)已達(dá)到小于3s的實(shí)用要求，己成為主導(dǎo)產(chǎn)品?，F(xiàn)有的燃?xì)鉄崴?，己采用該傳感器防止干燒，遙控型熱水器增加1只調(diào)節(jié)水溫，智能型熱水器又增加進(jìn)水水溫和室內(nèi)氣溫傳感器。(2)空調(diào)：空調(diào)用的熱敏元件是近幾年發(fā)展較快的NTC熱敏電阻之一。通常采用樹脂包封和銅殼罐封兩種結(jié)構(gòu)，較好滿足防潮、耐久及足夠功耗等要求。一般空調(diào)單機(jī)用2~3只，變頻空調(diào)單機(jī)使用5~6只?，F(xiàn)有產(chǎn)品的互換精度普遍優(yōu)于0.5℃。圖1.3水溫傳感器(3)廚房設(shè)備：隨著模糊邏輯技術(shù)的普及，微波爐、電熱鍋、電飯煲及消毒柜等廚房設(shè)備，已經(jīng)大量采用靈敏、價(jià)廉、耐熱沖擊、防水蒸氣、宜洗滌、無污染的熱敏電阻溫度傳感器，具有按設(shè)定程序控制升溫、保溫、降溫、斷電等功能。近幾年，由于珠式熱敏元件在NTC陶瓷材料和產(chǎn)品性能一致性方面的改進(jìn)，晶片型熱敏元件在接點(diǎn)引出和封裝技術(shù)方面的改進(jìn)，并且形成了批量生產(chǎn)規(guī)模，現(xiàn)己廣泛為廚房設(shè)備采用[7]。1.3.2NTC熱敏電阻的發(fā)展趨勢(shì)1.高精度NTC熱敏電阻隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)溫度測(cè)控精度的要求不斷提高，應(yīng)用環(huán)境也越來越苛刻。對(duì)高精度、高可靠性NTC元件的需求也越來越高，所謂高精度NTC熱敏電阻，其電阻缺陷B值和電阻值偏差應(yīng)在2%以內(nèi)，可靠性好，國外大多采用高科技設(shè)計(jì)配方，細(xì)粉（小粒徑1μm）原料，等靜壓形式，在嚴(yán)格控制（用微機(jī)控制）的燒結(jié)系統(tǒng)中，燒成大尺寸NTC敏感體，然后切成小塊，平磨，然后成型電極，包裝，也可以用薄膜輥制作，燒結(jié)成型電極，最后切割成小塊（片），這樣就可以制作出高精度的產(chǎn)品，可靠性和一致性高，可以顯著提高生產(chǎn)效率，降低成本[8]。2.表面安裝用NTC熱敏電阻近年來，隨著人們對(duì)電子器件輕量化、薄化和微型化的強(qiáng)烈需求，被稱為組裝技術(shù)革命的表面組裝技術(shù)（SMT）引起了越來越多的關(guān)注，SMT的一個(gè)關(guān)鍵主題是電子元器件的微型化，可以編帶或者管式輸送。表面安裝技術(shù)的實(shí)施不僅可以顯著提高元器件的安裝質(zhì)量，而且可以提高生產(chǎn)效率，降低電子器件的成本。用于表面安裝的NTC元件大體分為片式熱敏電阻、疊層(多層)型熱敏電阻、樹脂封裝熱敏電阻[9]。3.數(shù)字NTC溫度傳感器為了簡化數(shù)字系統(tǒng)的接口技術(shù)，近幾年國內(nèi)外有關(guān)廠校，對(duì)數(shù)字傳感器進(jìn)行了大量的研究。數(shù)字溫度傳感器是其中發(fā)展較快的產(chǎn)品之一，現(xiàn)己取得可喜的進(jìn)展。數(shù)字溫度傳感器，是超大規(guī)模集成電路(VLSI)與感溫元件相結(jié)合的產(chǎn)物。半導(dǎo)體硅感溫元件與大規(guī)模集成電路的工藝兼容，易于合二為一，滿足與數(shù)字系統(tǒng)直接接口的要求。其中，美、日等集成電路生產(chǎn)廠家，己商品化的集成型數(shù)字溫度傳感器，在℃溫度范圍內(nèi)，測(cè)溫精度達(dá)0.3℃。國內(nèi)數(shù)字溫度傳感器的開發(fā)，以進(jìn)口VLSI、外接線性化的NTC熱敏元件為主。目前，在100℃的溫區(qū)內(nèi)，己獲得2℃的測(cè)溫精度。北京衛(wèi)華傳感工程開發(fā)部，在數(shù)字溫度傳感器取得重大突破后，推出了多種數(shù)字傳感器。其中，三端式WHT-1型溫濕一體化脈沖數(shù)字傳感器，溫度靈敏度為10Hz℃/。隨著集成型數(shù)字溫度傳感器的推廣、YLSI的普及，NTC數(shù)字溫度傳感器正趨向?qū)挏貐^(qū)、高精度、小型化、復(fù)合化的方向發(fā)展，這將促使傳感器的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。熱敏電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)原理2.1熱敏電阻溫度特性絕大多數(shù)金屬當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值也隨之增大，利用這一規(guī)律制成的金屬電阻稱為金屬熱電阻，也可簡稱熱電阻。熱敏電阻是由半導(dǎo)體材料制成的，與熱電阻相比，半導(dǎo)體熱敏電阻對(duì)溫度的變化更敏感，靈敏度更高。電阻值隨溫度變化的規(guī)律稱為溫度特性。由于金屬能夠提純，所以熱電阻的穩(wěn)定性和互換性較好，而半導(dǎo)體中的雜質(zhì)難以控制，所以熱敏電阻的穩(wěn)定性和互換性較差。與熱電阻相比，半導(dǎo)體熱敏電阻具有靈敏度高、體積小、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的溫度特性，稱為NTC（也稱MF）型熱敏電阻，其阻值與溫度的關(guān)系可表示為（2）式中，RT0和RT分別是溫度為T0（K）和T（K）時(shí)的阻值；T和T0是開爾文溫標(biāo)；B是材料常數(shù)，單位是K[10]。2.2平衡電橋在我們用到的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,測(cè)量電阻通常使用2種方法，1伏安法2電橋法[12]。伏安法測(cè)量電阻的公式為R=U/I（測(cè)量的電阻兩端電壓/測(cè)量的電阻兩端流經(jīng)的電流)，除了電流表和電壓表本身的精度外，還有電表自己的電阻，不論電表是內(nèi)接或外接都無法同時(shí)測(cè)出流經(jīng)電阻的電流Ⅰ和電阻兩端的電壓U，不可避免存在測(cè)量線路缺陷。電橋是用比較法測(cè)量電阻的儀器。電橋的特點(diǎn)是準(zhǔn)確、靈敏、使用方便廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制電氣技術(shù)和非電量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量測(cè)量當(dāng)中。電橋又可分為直流電橋、交流電橋，直流電橋可以主要用于測(cè)電阻，交流電橋主要可用于測(cè)電容、電感等。通過傳感器可以將壓力、溫度等非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為傳感器阻抗的變化進(jìn)行測(cè)量[11]?；菟雇姌?qū)儆谥绷麟姌颍饕糜跍y(cè)量中等數(shù)值的電阻（101~106Ω)。對(duì)于太小的電阻（101~106Ω量級(jí))，要考慮接觸電阻、導(dǎo)線電阻，可考慮使用雙臂電橋;對(duì)于大電阻(107級(jí))，要考慮使用沖擊檢流計(jì)等方法。惠斯通電橋使用檢流計(jì)作為指零儀表，而實(shí)驗(yàn)室用檢流計(jì)屬于μA表，電橋的靈敏度要受檢流計(jì)的限制[12]。圖圖2.1電橋原理圖圖2.1是惠斯通電橋的原理圖。四個(gè)電阻R0、R1、R2、Rx連成四邊形，稱為電橋的四個(gè)臂。四邊形的一個(gè)對(duì)角線連有檢流計(jì)，稱為“橋”;四邊形的另一對(duì)角線接上電源，稱為電橋的“電源對(duì)角線”。E為線路中供電電源，學(xué)生實(shí)驗(yàn)用雙路直流穩(wěn)壓電源，電壓可在0-30V之間調(diào)節(jié)。電源接通時(shí)，電橋線路中各支路均有電流通過。當(dāng)C、D兩點(diǎn)之間的電位不相等時(shí)，橋路中的電流Ig≠0，檢流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn);當(dāng)C、D兩點(diǎn)之間的電位相等時(shí)，橋路中的電流Ig=0，檢流計(jì)指針指零（檢流計(jì)的零點(diǎn)在刻度盤的中間)，這時(shí)我們稱電橋處于平衡狀態(tài)。因此電橋處于平衡狀態(tài)時(shí)有[13]:Ig=0UAC=UADUCB=UDBIRX=IR0IR1=IR2IRXRX=IR1R1IR0R0=IR2R2于是即RXR2=R0R1此式說明，電橋平衡時(shí)，電橋相對(duì)臂電阻的乘積相等。這就是電橋的平衡條件。根據(jù)電橋的平衡條件，若已知其中三個(gè)臂的電阻，就可以計(jì)算出另一個(gè)橋臂電阻，因此，電橋測(cè)電阻的計(jì)算式為(1)電阻R1、R2為電橋的比率臂，RX為待測(cè)臂，R0為比較臂，R0作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室常用電阻箱。由(1)式可以看出，待測(cè)電阻R由比率值K和標(biāo)準(zhǔn)電阻R。決定，比值K可以作成10n，這是成品電橋常用的方法。檢流計(jì)在測(cè)量過程中起判斷橋路有無電流的作用，只要檢流計(jì)有足夠的靈敏度來反映橋路電流的變化則電阻的測(cè)量結(jié)果與檢流計(jì)的精度無關(guān)，由于標(biāo)準(zhǔn)電阻可以制作得比較精密，所以利用電橋的平衡原理測(cè)電阻的準(zhǔn)確度可以很高，大大優(yōu)于伏安法測(cè)電阻，這也是電橋應(yīng)用廣泛的重要原因[14]。2.3非平衡電橋非平衡直流電橋工作的基本原理是：運(yùn)用非平衡直流電橋橋式電路進(jìn)行測(cè)量，輸出不平衡電壓并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由此得出引起電阻變化的其他物理量的變化，如壓力，形變，溫度等。圖2.2非平衡電橋非平衡電橋電路如圖2.2所示，當(dāng)R1=R2（對(duì)稱電橋）及Rt=R3時(shí)，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[15]。根據(jù)橋路的基爾霍夫方程：解出（1）式（1）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。所以可以根據(jù)此原理設(shè)計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)熱敏電阻的溫度特性曲線3.1熱敏電阻電阻—溫度特性熱敏電阻的電阻—溫度特性，表示熱敏電阻的電阻隨溫度的變化規(guī)律，簡稱特性。它是熱敏電阻的基本特性之一，也是熱敏電阻測(cè)溫的基礎(chǔ)。它與熱敏電阻的電阻率與溫度的關(guān)系是一致的。要設(shè)計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)，首先要知道熱敏電阻的溫度特性曲線才能通過電阻的變化引起電流的變化方便直觀地觀察到溫度。本論文采用惠斯通電橋法和恒源直流電壓法來測(cè)熱敏電阻溫度特性曲線。3.2惠斯通電橋法3.2.1實(shí)驗(yàn)原理圖3圖3.1電橋原理圖圖3.1是惠斯通電橋的原理圖，它是由四個(gè)橋臂電阻、一個(gè)電源和一個(gè)檢流計(jì)組成，其中R1，R2為已知標(biāo)準(zhǔn)電阻，稱“比率臂”；RS為可變標(biāo)準(zhǔn)電阻（電阻箱），稱“比較臂”；RX為被測(cè)電阻，稱“測(cè)量臂”；B、D間接檢流計(jì)。接通電路后，檢流計(jì)一般不示零，說明B、D兩點(diǎn)電勢(shì)不相等，通過調(diào)節(jié)R1，R2和RS使電橋達(dá)到平衡，此時(shí)B、D兩點(diǎn)電勢(shì)相等，故（1）所以（2）公式（1）稱電橋平衡條件，即相鄰兩臂電阻之比相等。令，稱為“倍率”，則公式（1）可寫為Rx=CRs。因此當(dāng)電橋調(diào)平衡后，只要讀出C和值，待測(cè)電阻便可以得到。3.2.2實(shí)驗(yàn)儀器NTC熱敏電阻滑動(dòng)電阻檢流計(jì)萬用表NNQJ型組合式熱電特性實(shí)驗(yàn)儀燒杯3.2.3實(shí)驗(yàn)過程與方法1.按圖連接好電路并將熱敏電阻放入加熱器設(shè)置2.調(diào)整R1與R2阻值既倍率和RS使得檢流計(jì)不偏轉(zhuǎn)指向0刻度線讀出倍率和Rs阻值并計(jì)算出熱敏電阻阻值3.慢慢使熱敏電阻從25℃升至80℃并每隔5°測(cè)量一次熱敏電阻阻值4.記錄數(shù)據(jù)利用畫圖工具做出熱敏電阻溫度特性圖3.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度/℃253035404550556065707580電阻/Ω1087920760636525447385326282238211185NTC型熱敏電阻1溫度/℃253035404550556065707580電阻/Ω107008110588744103079242520841749136811771006862NTC型熱敏電阻23.3恒壓源電流法3.3.1實(shí)驗(yàn)原理恒壓源電流法測(cè)量熱電阻，電路如圖3.2所示，圖3.2電源采用恒壓源，R1為已知數(shù)值的固定電阻，Rt為熱電阻。UR1為R1上的電壓，URt為Rt上的電壓，UR1用于監(jiān)測(cè)電路的電流。當(dāng)電路電壓恒定、溫度恒定時(shí)則UR1一定，電路的電流I0則為UR1/R1,只要測(cè)出熱電阻兩端電壓URt[16]，既可知道被測(cè)熱電阻的阻值。當(dāng)電路電流為I0,溫度為T時(shí)，熱電阻Rt為： （4）3.3.2實(shí)驗(yàn)儀器可控溫?cái)?shù)顯干井式恒溫加熱系統(tǒng)、NTC1K熱敏電阻溫度傳感器、可調(diào)整放大器、數(shù)字電壓表、插接線，醫(yī)用級(jí)口腔表等3.3.3實(shí)驗(yàn)過程與方法1.按圖5連接好電路2.用電壓表先測(cè)得URt再測(cè)得UR1因?yàn)殡娮鑂1為1Ω所以UR1=I0所以公式可表示為算出此時(shí)電阻3.改變RT溫度在25℃到80℃之間每隔5℃測(cè)量一次電阻4.記錄數(shù)據(jù)并畫圖熱敏電阻溫度特性曲線圖3.3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度/℃253035404550556065707580URt/V0.8800.7910.7410.6930.6540.6210.5900.5670.5490.5340.5220.513UR1/V0.4660.3710.3160.2650.2220.1850.1510.1260.1060.0890.0760.066Rt/Ω1126883743619514424344286239200170148NTC型熱敏電阻1溫度/℃253035404550556065707580URt/V2.4982.0831.6821.3401.1470.9320.8030.6750.5800.5060.4600.421UR1/V0.2330.2560.2840.3050.3280.3460.3610.3750.3880.3970.4050.415Rt/Ω1072381365923439234962693222518071497127711381024NTC型熱敏電阻23.4數(shù)據(jù)處理經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)處理發(fā)現(xiàn)2種方法測(cè)得數(shù)據(jù)不完全相同有誤差，為了減少誤差故平均2種方法所求得電阻再畫出熱敏電阻溫度特性曲線[17]。溫度/℃253035404550556065707580電阻/Ω1107902752628520436365306261219191167NTC型熱敏電阻1溫度/℃253035404550556065707580電阻/Ω107128123589344013288255921551778143312271072894NTC型熱敏電阻2熱敏電阻溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)4.1實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)我們利用非平衡電橋電路可以得到通過檢流計(jì)的電流與溫度呈一定的線性關(guān)系，于是通過改裝非平衡電橋來設(shè)計(jì)熱敏電阻溫度計(jì)[18]。如圖4.1所示，溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路與前面圖2.2所示的原理圖相比有三點(diǎn)不同：1.增加一個(gè)發(fā)光二極管LED，作為電源指示，它的工作電壓為2V～3V。圖4.1熱敏電阻溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)電路2.檢流計(jì)G換成微安表頭。3.最重要的改動(dòng)是在bd支路中增加一個(gè)“校準(zhǔn)”支路，當(dāng)K2扳至“校”時(shí)，溫度計(jì)處于“校準(zhǔn)”狀態(tài)，當(dāng)K2扳至“測(cè)”時(shí)，溫度計(jì)處于“測(cè)量”狀態(tài)。K2是該儀表的狀態(tài)選擇開關(guān)。4.2電路參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算圖4電路中需要設(shè)計(jì)計(jì)算的參數(shù)有四個(gè)，下面分別介紹：(1)Ucd的確定Ucd是橋路的工作電壓，既不能過高，也不能過低。過高會(huì)使Rt產(chǎn)生自熱現(xiàn)象，從而使被測(cè)環(huán)境的溫度升高；過低則無法使微安表達(dá)到滿偏。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)中所用Rt的額定工作電流及微安表的量程，Ucd可在1.1~1.4V之間確定一個(gè)值，如1.1V，1.2V，或1.3V均可。(2)R3值的確定R3的大小與溫度計(jì)的下限t2℃有關(guān)。若測(cè)溫范圍是由t1℃到t2℃，則t1℃為下限，t2℃為上限。熱敏電阻作為感溫元件，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R，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(shí)，微安表應(yīng)指零。這樣，在R1=R2的條件下，R3必須等于Rt1即R3=Rt1（3）（3）R1（R2）的確定在非平衡電橋的參數(shù)設(shè)計(jì)中，一般都是使R1與R2相等，構(gòu)成一個(gè)對(duì)稱電橋。另外，R1（R2）的大小與許多因素有關(guān)，比如測(cè)量范圍，微安表的內(nèi)阻Rg，微安表的量限Igm，橋路的工作電壓Ucd等。若溫度計(jì)的測(cè)溫上限為t2℃，在這一溫度下，熱敏電阻的阻值為Rt2，微安表應(yīng)滿偏即（4）將（3）、（4）式代入（2）式中得（5）由（5）式得（6）上式中的Rg和Igm由實(shí)驗(yàn)室給出[19]。（4）R4的確定給溫度計(jì)通電進(jìn)行溫度測(cè)量前，必須將K2扳至“校”，目的是校準(zhǔn)工作電壓Ucd，使其剛好等于設(shè)計(jì)值。“?！钡哪康囊彩菫榱诵?zhǔn)刻度值，使Rt=Rt2時(shí)，Ig=Igm，與（4）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(shí)，就相當(dāng)于把感溫元件置于溫度為t2℃的溫度場中，此時(shí)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(jì)值，需仔細(xì)旋轉(zhuǎn)電位器R的旋鈕，直至微安表滿偏。這一步完成后，才能將K2扳至“測(cè)”，進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。(5)制作定標(biāo)曲線圖4.2定標(biāo)曲線將電路中各元件按圖4.1安裝完后，就可以進(jìn)行溫度測(cè)量了。但微安表指示值是電流值而不是溫度值。怎樣才能通過微安表的偏轉(zhuǎn)來讀出相應(yīng)的溫度值呢？辦法之一就是通過定標(biāo)實(shí)驗(yàn)來描繪出一條定標(biāo)曲線，如圖4.2所示。有了定標(biāo)曲線，就可以找到與任一電流值Igi相對(duì)應(yīng)的溫度值ti，或者根據(jù)定標(biāo)曲線，在刻度盤上直接按溫度來標(biāo)定。這樣，指針的偏轉(zhuǎn)既能顯示電流值，又能顯示溫度值。4.3電阻參數(shù)的確定1.首先選擇用惠斯通電橋法和恒壓源電流法測(cè)得熱敏電阻溫度特性曲線的NTC型熱敏電阻1和NTC型熱敏電阻2。2.確定測(cè)溫范圍。NTC型熱敏電阻1為25~80℃，由于R3最大可調(diào)至5000Ω故NTC型熱敏電阻2為40~80℃。3.選定工作電壓。NTC型熱敏電阻1和NTC熱敏電阻2都選定為1.3V。4.選定R3.。NTC型熱敏電阻125°時(shí)的電阻值為1107Ω所以R3為1107Ω，NTC型熱敏電阻240°時(shí)的電阻值為4401Ω所以R3為4401Ω。5.選定R1和R2.NTC型熱敏電阻1Igm=0.00005ARg=3252ΩRt1=1107ΩRt2=167ΩUcd=1.3V計(jì)算可得R1=R2=12389Ω，NTC型熱敏電阻2Igm=0.00005ARg=3252ΩRt1=4401ΩRt2=894ΩUcd=1.3V計(jì)算可得R1=R2=9230Ω。6.確定R4。NTC型熱敏電阻180°時(shí)電阻值為167ΩR4=167Ω，NTC型熱敏電阻280°時(shí)電阻值為894°R4=894Ω。4.4實(shí)驗(yàn)過程及方法NTC型熱敏電阻1調(diào)定R1和R2。使用電橋箱調(diào)整R1和R2的阻值都為12389Ω。調(diào)定R3。使用電橋箱調(diào)整R3電阻為1107Ω。調(diào)定Ucd。按圖連接好電路Rt接電阻箱開關(guān)K2打到測(cè)量檔調(diào)節(jié)分壓電阻R使微安表指針滿偏此時(shí)Ucd=1.3V。校準(zhǔn)R4。開關(guān)K2打到校準(zhǔn)檔此時(shí)微安表應(yīng)該滿偏，如不滿偏，則調(diào)節(jié)分壓電阻R4使微安表滿偏此時(shí)R4=167Ω。制作定標(biāo)曲線。開關(guān)打到測(cè)量檔Rt接電阻箱，根據(jù)溫度特性曲線將電阻箱調(diào)節(jié)至各溫度所對(duì)應(yīng)阻值，記錄微安表指針偏轉(zhuǎn)格數(shù)，并繪制曲線。NTC型熱敏電阻2步驟同上4.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度/℃253035404550556065707580電阻/Ω1107902752628520436365306261219191167格數(shù)0815212631364043464850NTC型熱敏電阻1溫度/℃404550556065707580電阻/Ω44013288255921551778143312271072894格數(shù)01019253138424650NTC型熱敏電阻24.6與水銀溫度計(jì)作比較熱敏電阻溫度計(jì)制作好后，開關(guān)打到測(cè)量檔，將Rt接入燒杯中，在同一位置放入水銀溫度計(jì)。再倒入100℃開水等待降溫并記錄數(shù)據(jù)溫度/℃253035404550556065707580電阻/Ω1107902752628520436365306261219191167格數(shù)0815212631364043464850溫度計(jì)/℃25.030.034.939.543.447.552.958.362.168.272.374.5NTC型熱敏電阻1溫度/℃404550556065707580電阻/Ω44013288255921551778143312271072894格數(shù)01019253138424650溫度計(jì)/℃41.547.952.354.860.164.970.074.080.0NTC型熱敏電阻2總結(jié)與展望5.1總結(jié)本課題是基于熱敏電阻溫度特性進(jìn)行研究分析然后從而根據(jù)其特性來設(shè)計(jì)出溫度計(jì)并應(yīng)用于生活當(dāng)中。文章對(duì)熱敏電阻溫度特性和熱敏電阻測(cè)溫原理以及幾種電路的闡述，首先給出了如何設(shè)測(cè)量熱敏電阻溫度特性的方法，得到熱敏電阻溫度特性后，再通過非平衡電橋電路的特性并加以改裝獲得用電阻測(cè)量溫度的電路，然后對(duì)溫度進(jìn)行定標(biāo)使溫度能直觀地被觀測(cè)，最后與常用溫度計(jì)做對(duì)比驗(yàn)證其對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，說明了此熱敏電阻溫度計(jì)設(shè)計(jì)方法正確。5.2展望熱敏電阻測(cè)溫技術(shù)是一項(xiàng)具有應(yīng)用價(jià)值和美好前景的技術(shù)，未來將會(huì)在溫度監(jiān)測(cè)鄰域上占有舉足輕重的地位，該技術(shù)目前仍在更深入地研究和完善當(dāng)中，并發(fā)展得比較成熟。其接下來的發(fā)展方向可以概括為朝著寬溫區(qū)、高精度、小型化、復(fù)合化的方向發(fā)展。本課題研究的結(jié)果可以在以后的生活應(yīng)用中得到檢驗(yàn)與改進(jìn)，非常期望熱敏電阻測(cè)溫技術(shù)能再此實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。結(jié)論本文通過2種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量電阻的到不相同的數(shù)據(jù)說明測(cè)量電阻方法還有待改進(jìn)得出多種方法一起測(cè)量再綜合實(shí)驗(yàn)誤差會(huì)較小。從實(shí)驗(yàn)得出的熱敏電阻溫度特性曲線證明了溫度與電阻呈反比的線性關(guān)系并有一定的規(guī)律與水銀溫度計(jì)做對(duì)面發(fā)現(xiàn)誤差不大可得出熱敏溫度計(jì)設(shè)計(jì)比較成功的結(jié)論同時(shí)也證明了溫度可以用熱敏電阻來測(cè)出來熱敏電阻溫度計(jì)是一個(gè)很好的發(fā)展方向，溫度可以通過電阻精確的表示出來，可以提高測(cè)溫的精度。參考文獻(xiàn)徐先開，葉濟(jì)民．熱敏電阻器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981，1-5，39，44，16，108．童茂松,李莉.\t"8/https/777