热敏电阻温度特性及热敏电阻温度计的设计.doc

热敏电阻温度特性及热敏电阻温度计的设计
热敏电阻是对温度变化表现出非常敏感的一种半导体电阻元件，它能测量出温度的微小变化，并且体积小，工作稳定，结构简单。因此，它在测温技术、无线电技术、自动化和遥控等方面都有广泛的应用。
利用热敏电阻作为感温元件，并且配有温度显示装置的温度仪表称为热敏电阻温度计。热敏电阻能把温度信号变成电信号，从而实现了非电量的测量。值得提出的是，电量测量是现代测量技术中最简便的测量技术，不仅测量装置简单、造价低、灵敏度高、而且容易实现自动化控制，是测量技术的一个重要的发展趋势。
【实验目的】
1．研究热敏电阻的温度特性
2．进一步掌握非平衡电桥电路原理及应用
3、了解负温度系数热敏电阻的温度特性
4、设计和安装一台热敏电阻温度计，并对这台温度计的测量误差进行测试和评价
【实验原理】
内容1 热敏电阻的温度特性
1、测量原理
热敏电阻的基本特性是它的温度特性，许多材料的电阻随温度的变化而发生变化，纯金属和许多合金的电阻随温度增加而增加，它们具有正的电阻温度系数。另外像炭、玻璃、硅和锗等材料的电阻随温度的增加而减小，具有负的电阻温度系数。在半导体中原子核对价电子的约束力要比金属中大，因而自由载流子数少，故半导体的电阻率较大而纯金属的电阻率较小。由于半导体中载流子数目是随着温度的升高而按指数规律急剧增加，载流子越多，导电能力越强，电阻率就越小，因此半导体热敏电阻的阻值随着温度的升高电阻率将按指数规律减少。如温度由变至时，由铂丝材料制成的电阻，其阻值变化10倍左右；而热敏电阻的阻值在上述温度变化相同的情况下变化可达到倍。
实验表明，在一定温度范围内，半导体材料的电阻率和绝对温度T的关系可表示为：

其中、b为常数，仅与材料的物理性质有关。
由欧姆定律得热敏电阻的阻值：
（1）
上式中令 、S、L分别为热敏电阻的横截面积和电极间的距离。
对式（1）取对数有：
或写作 (线性变化关系)
式中，改变被测样品的温度,分别测出不同的温度T以及对应的值，重复7—10次，可用图解法、计算法或最小二乘法求出A、a、b值。
2、测量电路
测量电路如图a所示，利用惠斯通电桥测定被测样品在不同温度下的阻值，由电路平衡可知，被测样品的电阻为：
在用实验测量热敏电阻时, 不能单独构成一桥臂，应按照图b所示的电路。适当选取、 和，使得桥路的电阻变化关系在测量范围之内，并使所在桥臂总电阻的变化很小，且使检流计的偏转与温度的变化尽量呈线性关系 。
3、实验内容：
热敏电阻的温度特性研究，通过电路进行测量求出a、b值。
图b
（1）按图a实验装置接好电路，安装仪器。
（2）在容器内盛入水开启直流电源开关，在电热丝中通以2.5A—3.0A的电流；对水加热，使水温逐渐上升，温度由水银温度计读出。热敏电阻的两条引出线连接到惠斯通电桥的待测电阻的两接线柱上。
（3）测试的温度从20℃开始，每增加5℃，测量电阻阻值，直到60℃止。
热敏电阻温度计的设计
1、测量原理
1.1负温度系数热敏电阻的温度特性
图2 非平衡电桥
图1 负温度系数热敏
电阻的温度特性
热敏电阻按其温度特性可分为正温度系数型、负温度系数型及开关型三大类。其中负温度系数热敏电阻其以锰、钴、铜和铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制成。这些金属氧化物都具有半导体性质，温度低时，载流子数目小，因此阻值高；温度高时，载流子数目急剧增加，因此阻值急剧下降，如图1所示，其方程可表示为：
（1）
1.2非平衡电桥
非平衡电桥电路如图2所示，当R1=R2（对称电桥）及Rt=R3时，电桥平衡，G指零如果Rt的阻值发生变化，则电桥的平衡条件被破坏，G中就有电流通过，指针发生偏转，偏转越大，说明Rt变化也越大。
根据桥路的基尔霍夫方程：

解出：
（2）
由式（2）看出，在R1（R2），R3 ，Rg 及Ucd恒定条件下，Ig的大小唯一地由Rt值来
决定，因而有可能根据G 偏转的大小来直接指示温度的高低。
图3 热敏电阻温度计的实验电路图
1.3 热敏电阻温度计的实验电路
热敏电阻温度计的实验电路如图3 所示，
1.4. 电路参数的设计与计算
图3 电路中需要设计计算的参数有四个，下面分别介绍：
(1) Ucd 是桥路的工作电压，一般取1.3V。
(2) R3值的确定
R3 放在下限温度t1℃的温度场中，它的阻值为Rt1，放在上限温度t2℃的温度场中，它的阻值为Rt2，Rt1和Rt2都可以在热敏电阻的温度特性曲线上查到。
确定R3大小的原则是，当热敏电阻处于t1℃温度时，微安表应指零。这样，在R1=R2的条件下，R3必须等于Rt1。
(3) R1的确定
若温度计的测温上限Rt2，微安表应满偏
即： (3)
将（3）式代入（2）式中得：
（4）
由（4）式得：
（5）
上式中的Rg和Igm由实验室给出。
（4）R4的确定
测量前，必须将K2扳至“校”，目的是校准工作电压Ucd，使其刚好等于设计值。“校”
的目的也是为了校准刻度值，使Rt=Rt2时，Ig=Igm与（3）式相符。一般作法是将R4的值固定为Rt2，这样当K2扳至“校”时，就相当于把感温元件置于温度为t2℃的温度场中，此时微安表应满偏。如果未能指向满偏，则说明Ucd未能达到设计值，需仔细旋转电位器R的旋钮，直至微安表满偏。再将K2扳至“测”，进入测量状态。
图4 定标曲线
1.5 制作定标曲线
描绘出一条定标曲线，如图4所示。既能显示电流值，又能显示温度值。
2、实验内容
2.1 设计电路参数Ucd，R1（R2），R3 和R4 。
2.2 把R1（R2 ），R3 和R4 调到设计值，并且安装成一台热敏电阻温度计。
2.3 用一只酒精温度计（作为标准）对这台热敏电阻温度计进行校验（与后边互应），对其测量误差做出判断。
注意事项：
1、在测量热敏电阻是时，采用图b所示作为一桥臂，调整相应的电阻，使得 所在桥臂的电阻变化很小，且使检流计的偏转尽量与温度的变化成线性关系。
2、注意不能超过检流计和温度计的量程。
3、应保证在热敏电阻允许温度范围内多次测量，可采用图解法、计算法或最小二乘法求出a、b值。