热敏电阻温度特性研究实验.doc

半导体热敏电阻特征研究（平衡电桥）
热敏电阻是开发早、 种类多、 发展较成熟敏感元器件。热敏电阻器经典特点是对温度敏感, 不一样温度下表现出不一样电阻值。根据温度系数不一样分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）以及临界温度热敏电阻（CTR）。正温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越大, 常见正温度系数电阻有BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为关键成份烧结体; 负温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越低, 该电阻材料是利用锰、 铜、 硅、 钴、 铁、 镍、 锌等两种或两种以上金属氧化物进行充足混合、 成型、 烧结等工艺而成半导体陶瓷。
热敏电阻关键特点是: ①灵敏度较高, 其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上, 能检测出10-6℃温度改变; ②工作温度范围宽, 常温器件适适用于-55℃～315℃, 高温器件适用温度高于315℃（现在最高可达成℃）, 低温器件适适用于-273℃～55℃; ③体积小, 能够测量其她温度计无法测量空隙、 腔体及生物体内血管温度; ④使用方便, 电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择; ⑤易加工成复杂形状, 可大批量生产; ⑥稳定性好、 过载能力强。所以, 它在测温技术、 无线电技术、 自动化和遥控等方面都有广泛应用。
一、 试验目
1．了解热敏电阻电阻---温度特征和测温原理
2．掌握惠斯通电桥原理和使用方法
二、 试验原理
1．半导体热敏电阻电阻-温度特征
半导体热敏电阻基础特征是它温度特征, 而这种特征又是与半导体材料导电机制亲密相关。因为半导体中载流子数目随温度升高而按指数规律快速增加。温度越高, 载流子数目越多, 导电能力越强, 电阻率也就越小。所以热敏电阻伴随温度升高, 它电阻将按指数规律快速减小。
试验表明, 在一定温度范围内, 半导体材料电阻RT和绝对温度T关系可表示为
（1）
其中常数a不仅与半导体材料性质而且与它尺寸都相关系, 而常数b仅与材料性质相关, T取绝对温度。
定义电阻温度系数为:
（2）
根据温度系数不一样分为和负温度系数, 正温度系数热敏电阻在温度越高时电阻值越大, 负温度系数热敏电阻在温度越高时电阻值越低。
（1）式中常数a、 b可经过试验方法测得。常利用多个T和RT组合测量值, 经过作图方法（或用回归法最好）来确定常数a、 b, 为此取（1）式两边对数。变换成直线方程:
　 （3）
或写作 　
式中, 然后取X、 Y分别为横、 纵坐标, 对不一样温度T测得对应RT值, 经过变换后作X～Y曲线, 它应该是一条截距为A、 斜率为B直线。依据斜率求出b, 又由截距可求出a＝eA。
确定了半导体材料常数a和b后, 便可计算出这种材料电阻温度系数
（4）
显然, 半导体热敏电阻温度系数是负, 并与温度相关。
2．用惠斯顿电桥测量半导体热敏电阻
惠斯顿电桥原理图如图1所表示, 四个电阻R0, R1, R2, Rx组成一个四边形, 即电桥四个臂, 其中Rx就是待测电阻。在四边形一对对角A和C之间连接电源, 而在另一对对角B和D之间接入检流计G。当B和D两点电位相等时, G中无电流经过, 电桥便达成了平衡。平衡时必有
（5）
R1、 R2和R0都已知, Rx即可求出。

图1.试验原理图
电桥属于非常灵敏原件, 电桥灵敏度定义为:
（6）
其中, R0 是电桥平衡时比较臂电阻, ΔR0 是在电桥平衡后R0微小改变量, Δ n越大, 说明电桥灵敏度越高。
三、 试验仪器
箱式惠斯通电桥, 控温仪, 热敏电阻, 直流电稳压电源
四、 试验内容
1．求电桥灵敏度:
本试验中为测量电桥灵敏度, 能够先调电桥至平衡得R0, 改变R0至R0+ΔR0, 使检流计偏转10格, 求出电桥灵敏度; 再将R0改变为R0-ΔR0, 使检流计向反方向偏转10格, 求出电桥灵敏度, 取两次平均值。
2．测量热敏电阻温度特征
接好电路, 安置好仪器。
在容器内盛入水, 开启加热装置对水加热, 使水温逐步上升, 温度由自动温控仪控制。热敏电阻两条引出线连接到惠斯通电桥待测电阻RX二接线柱上。
测试温度从室温开始, 每增加5℃, 作一次测量, 直到70℃止。停止加热, 使水慢慢冷却, 测量降温过程中, 测量各对应温度点Rt。将升温和降温过程中, 对应同一温度T对应Rt取平均值, 绘制热敏电阻RT-T特征曲线。由电阻温度系数定义式, 在T=50℃点作切线, 求出该点切线斜率、 T＝50℃点电阻温度系数。
作ln RT -(1/ T)曲线, 确定式(1)中常数a和b, 再由（4）式求T=50°C时电阻温度系数（）, 并将两次求得进行对比。
五、 思索题
1. 怎样提升电桥灵敏度？
2. 电桥选择不一样量程时, 对结果正确度(有效数字)有何影响？