一种准确测量热敏电阻温度特性的方法.pdf

第19卷第1期大学物理Vol.19 No.12000年1月!COLLEGEPHYSI CSJan.2000收稿日期：1998-10-22；修回日期：1999-07-16作者简介：阮亮（1939-），男，上海市人，清华大学现代应用物理系副教授，科研方向为液晶应用.一种准确测量热敏电阻温度特性的方法阮亮，常缨（清华大学 现代应用物理系，北京100084）摘要：热敏电阻具有显著的内热效应，是测量热敏电阻温度特性的一个难点.本文介绍一种考虑内热效应，准确测量热敏电阻温度特性的方法，可作为大学物理的一个研究型的实验课题.关键词：热敏电阻；内热效应；电阻温度特性中图分类号：O 441文献标识码：B文章编号：1000-0712（2000）01-0036-03热敏电阻具有对热敏感、电阻率大、体积小、热惯性小等特点，是测温、控温的重要器件.为此，准确测量热敏电阻的温度特性是一个重要课题.!测量原理!热敏电阻的温度特性具有负温度系数的热敏电阻器，电阻随温度的变化不是线性的，随着温度的升高按指数规律迅速下降，其经验公式为（注1）RT=RT1expBT-BT（）1（1）或RTexp-B（）T=RT1exp-BT（）1=C（2）其中RT和RT1分别表示绝对温度为T和T1的电阻值，B是材料的特性参数（单位为K），在一定的工作温度范围内是一个常数，C是温度和电阻值的普适常数.式（2）可化简为lnRT=lnC+BT（3）按式（3）进行直线拟合可求得常数C和B，常用热敏电阻的B值约为1 500!5 000 K.热敏电阻的温度系数!T定义为!T=1RTdRTdT=-BT2（4）!T不是常数，随温度而显著变化.!#内热效应无论采用电桥法或伏安法等电测法，测量热敏电阻值时，总有一定的工作电流通过热敏电阻，由于热敏电阻的电阻值较大、体积小、热容量小，因此焦耳热将迅速使热敏电阻产生稳定的高于外界温度（如恒温槽）的附加的内热温升，这就是所谓的内热效应.在准确测量热敏电阻温度特性时，必须考虑内热效应的影响.在恒定的外界（即恒温槽）温度T的条件下，由工作电流I引起的内热效应可由热敏电阻值的改变RT（I）（=RT（I）-RT）或内热温升T（I）来度量.由式（4）近似计算可得（在R（I）R（注2），T（I）T的条件下）：T（I）=1!TRT（I）RT=-T2BRT（I）RT（5）其中RT（I）表示工作电流为I的热敏电阻值，RT为无内热效应（即电流为零）的电阻值.!$内热模型由于RT无法由电测法直接测定，由式（5）可见，无法确定T（I）、RT（I）的数值，因此必须对内热效应的产生机制给以理论分析并提出内热模型的假设.当热敏电阻置于温度为T的恒温槽中，并通以工作电流I时，由于焦耳热使热敏电阻温度升高（高于恒温槽温度T），并与恒温槽进行热交换，直至与恒温槽达到稳恒的热传导（所需时间的量级为S）.设稳恒态的热敏电阻的温度为T+T（I）（T（I）#0），则单位时间由热敏电阻传给恒温槽的热量H为H=I2RT（I）=e!T（I）（6）其中e为稳恒热传导过程中的热导，在较小工作电流和一般的温度范围内是一个常数.由此可见，内热效应可由稳恒热传导模型中的式（6）定量描述.联立式（5）、（6），则1RT（I）=1RT+gI（）T2（7）其中g=Be可称为关联常数，为热敏电阻温度特性的常数B和内热效应的常数e的比值.式（7）就是热敏电阻温度特性准确测量和内热效应定量测定的主要公式.!测量方法由式（7）可见，由于热敏电阻温度特性和内热效应是相互关联的，因此必须分别进行内热效应和温度特性的测量，综合处理两者数据，最后确定温度特性和内热效应.!#内热效应的测量在室 温T0的 条 件 下（恒 温 槽 的 温 度 稳 定 度 为10-2C量级），改变通过热敏电阻的工作电流I（一般宜选择I=0.1、0.2、0.3、1.0 mA），测量相应热敏电阻值RT0（I），由式（7）对1RT0（I）#I2进行线性拟合，可以得到内热温升!T0（I），令1RT0（I）=a+bI2，则RT0=1ag=Be=bT2!T0（I）=I2RT0（I）e（8）!温度特性的测量和数据处理在一定的工作电流Im下（可选择适中的Im=0.5mA），测量不同温度T的热敏电阻值RT（Im）（温度范围0#100 C，温度测量精度不大于0.1 C）.由式（7）、（3）得到lnRT=-ln1RT（Im）-gIm（）T2=A+BT（9）将上面实验确定的g代入式（9），由lnRT#1T进行线性拟合，可直接求得热敏电阻的A和B值，从而完成了热敏电阻温度特性的准确测量.将此实验中按式（9）拟合的B值代入式（8），则可求得内热效应稳恒热传导的热导e=Bg=BbT20（10）进而利用式（8）和2.1测量的RT0（I）值可定量确定室温条件下，不同工作电流引起的内热温升!T0（I）.由式（6）可计算不同温度、不同电流下的内热温升：!T（I）=I2RT（I）e I2RTe（11）由式（11）可见，在相同的工作电流I下，随着恒温槽温度T的升高（T2 T1），内热效应（温升比）：!T2（I）!T1（I）RT2RT1=ex BT2-BT（）1=ex-B（T2-T1）T1T2（12）将按指数形式迅速减小.由此可见，恒温槽温度越低，内热效应越明显.$结语1）以上是考虑了内热效应后，准确测定热敏电阻温度特性和内热效应的实验方法.由于工作电流Im 1 mA，内热温升!I0（I）1 C，又因热敏电阻阻值大、热惯性小，与恒温槽容易达到稳恒热传导，故采用式（6）稳恒热传导近似可以得到满意的结果.2）由于lnRT#1T直接拟合确定热敏电阻的B和C，而不是由RT（I）代替RT拟合并进行修正，避免了内热效应带来的测量误差.3）由热导e的数值可进而定量的确定内热效应.4）无论利用平衡电桥、非平衡电桥或是伏安法，测量不同材料的电阻时均有电流通过，必然存在内热效应，因此找到一种综合考虑内热效应和温度特性的电测法，准确测量热敏电阻的温度特性和定量测定内热温升是有普遍意义的.5）本文可提供给大学作为研究型物理实验，它是涉及电学和热学的一个综合性课题，对大学生理论分析和实验研究能力的培养将是有益的.参考文献：1 迈纳斯H F，埃彭斯泰W，穆尔K H.普通物理实验 M.恽英等译.北京：科学出版社，1987.2 丁慎训，张孔时主编.物理实验教程（普通物理实验部分）M.北京：清华大学出版社，1992.3 陆申龙，曹正东.热敏电阻的电阻温度特性实验的教与学 J.物理实验，1998，18（3）：37.73第1期阮亮等：一种准确测量热敏电阻温度特性的方法注1对于正温度系数的热敏电阻RT=RT1expB（T-T1）.注2若!R!R条件下能满足，则式（5）将变为!T（I）=T2BlnRTRT（I）（5）式（7）将变为lnRT（I）=lnRT-BkI（）T2RT（I）（7）式（9）将变为lnRT=lnRT（I）+BkI（）T2RT（I）=A+BT（9）这是我们实验中尽量避免的情况，也是热敏电阻应用时工作状态所不允许的.当然，为了考察热敏电阻内热效应，可适当加大工作电流达数毫安（但不宜过大，以免烧坏热敏电阻），而采用式（5）计算!T（I）.An accurate method to measure temperaturecharacteristics for ther m istorRUAN Liang，C ANG Y ing（Depart ment of M odern Applied physics，T singhua University，Beijing，100084，China）Abstract：A metnod to deal w ith a difficult problemon howto get ther m istor temperature char-acteristics accurately is reported considering the distinct internal heat effects.This can be a researchtask in university physics experi ment.Key words：ther m istor；internal heat effect；temperature characteristics（上接35页）4Mulay L N.Technigues of Chem istryM.New York，Lon-don，Sydney，Toronto：W iley-Interscience，1972.Vol.1，part，528.5 李凤仪.多功能磁天平的研制 J.分析仪器，1987（4）：9.The principle and method of measuring magnetic susceptibilitywith the way of faraday relativeWU Lin1，LI Ru-heng2（1.Depart ment of physics，Yunnan Nor mal University，Kunm ing，Yunnan，650031，China；2.Depart ment of physics，Dali Teachers College，Dali，Yunnan，671000，China）Abstract：The principle and method of faraday relative are given w ith which magnetic suscepti-bility is measured.Key words：magnetic balance；magnetic susceptibility83大学物理第19卷一种准确测量热敏电阻温度特性的方法一种准确测量热敏电阻温度特性的方法作者：阮亮，常缨，RUAN Liang，CHANG Ying作者单位：清华大学现代应用物理系,北京,100084刊名：大学物理英文刊名：COLLEGE PHYSICS年，卷(期)：2000,19(1)被引用次数：4次 参考文献(3条)参考文献(3条)1.迈纳斯 H F;埃彭斯泰 W;穆尔 K H;恽英 普通物理实验 19872.丁慎训;张孔时 物理实验教程(普通物理实验部分)19923.陆申龙;曹正东 热敏电阻的电阻温度特性实验的教与学 1998(03)本文读者也读过(7条)本文读者也读过(7条)1.黎步银.吕文中.黄正伟.周东祥.LI Bu-yin.LV Wen-zhong.HUANG Zheng-wei.ZHOU Dong-xiang 热敏电阻阻温特性曲线测试系统的研制期刊论文-压电与声光2000,22(6)2.孙健.甘朝钦.刘英.吴宗汉.SUN Jian.GAN Chao-qin.LIU Ying.WU Zong-han V-P-Fe系CTR的研制期刊论文-应用科学学报2000,18(2)3.杨雯.YANG Wen PTC厚膜热敏电阻浆料期刊论文-电子元件与材料2000,19(6)4.黎步银.周东祥.姜胜林.付明 基于Windows98的电阻温度特性测试系统期刊论文-华中科技大学学报(自然科学版)2002,30(4)5.陈金太.黄宏纬.陈明顺 一种应用计算机测定电阻温度特性的方法期刊论文-山东科技大学学报(自然科学版)2003,22(z1)6.王盛.杭志宏.陆申龙.WANG Sheng.HANG Zhi-hong.LU Shen-long 新型PTC热敏电阻的特性测量及其应用期刊论文-大学物理2000,19(6)7.王德君.邱军.郭淳.桂治轮.李龙土.Wang Dejun.Qiu Jun.Guo Yuchun.Gui Zhilun.Li Longtu V型特性PTC材料的复阻抗解析期刊论文-硅酸盐学报1998,26(1)引证文献(4条)引证文献(4条)1.龙耀球.蒋国平.肖波齐.肖培英 半导体热敏电阻温度特性的计算机仿真期刊论文-陕西科技大学学报（自然科学版）2010(1)2.林晓玲.黄美浅.章晓文 热敏电阻测量法的研究期刊论文-电子产品可靠性与环境试验 2004(1)3.唐丽华 基于PASCO平台的温度信息采集期刊论文-实验室研究与探索 2007(5)4.王晓飞 汽车用温度传感器性能试验台系统的研究学位论文硕士 2004 引用本文格式：阮亮.常缨.RUAN Liang.CHANG Ying 一种准确测量热敏电阻温度特性的方法期刊论文-大学物理 2000(1)