物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)安裝和使用.doc

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熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)安裝和使用 XXX （XXX大學(xué)XX學(xué)院 XX XX 114044） 摘要：用半導(dǎo)體熱敏電阻作為傳感器，設(shè)計(jì)制作一臺(tái)測(cè)溫度范圍在20-70℃的半導(dǎo)體溫度計(jì)，利用“非平衡電橋”的電路原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出了t—Ig的定標(biāo)曲線。 關(guān)鍵詞：NTC熱敏電阻；非平衡電橋；溫度計(jì)；定標(biāo)曲線 中圖分類號(hào)：0447 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 引言 熱敏電阻是一種敏感元件，其特點(diǎn)是電阻隨溫度的變化而顯著變化，因而能直接將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，也就是說(shuō)能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了非電量的測(cè)量。熱敏電阻一般是用半導(dǎo)體材料制成的，溫度系數(shù)范圍約為：（-0.003 — +0.6）/℃。熱敏電阻的溫度系數(shù)有正有負(fù)，因此分成PTC熱敏電阻和NTC熱敏電阻兩類。 NTC熱敏電阻是以錳、鈷、鎳、銅和鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制成。這些金屬氧化物都具有半導(dǎo)體性質(zhì)。近年來(lái)還有用單晶半導(dǎo)體如碳化硅等材料制成的（國(guó)產(chǎn)型號(hào) MF91—MF96）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。NTC熱敏電阻作為溫度傳感器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，并且本身阻值大，一般在10—10之間，不需考慮引線長(zhǎng)度帶來(lái)的誤差，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。NTC熱敏電阻的測(cè)溫范圍較寬，特別適用于 -100—300℃之間的溫度測(cè)量。NTC熱敏電阻在工作范圍內(nèi)，其組織隨溫度增加而顯著減小，大多用于測(cè)溫和控溫，可以制成流量計(jì)和功率計(jì)等。它在自動(dòng)化、無(wú)線技術(shù)、測(cè)溫計(jì)術(shù)等方面都有廣泛應(yīng)用。 1.實(shí)驗(yàn)原理 1.1負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性 統(tǒng)計(jì)理論指出，熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系為：Rt=Aexp，其中A、B—半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)（理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，B值隨溫度略有變化，但在一般工作溫度范圍內(nèi)近似為常數(shù)；B值越大，阻值隨溫度的變化越大）：T—熱力學(xué)溫度，t表示攝氏溫度，且T=273.15+t；Rt—在攝氏溫度為t時(shí)的電阻值。隨溫度上升，器電阻值呈指數(shù)關(guān)系下降（如圖1）。 圖1負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性 圖2非平衡電橋 圖3熱敏電阻溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖 1.2非平衡電橋 電橋是一種用比較法進(jìn)行測(cè)量的儀器。所謂平衡電橋，是指在測(cè)量過(guò)程中電橋是不平衡的，橋路上的電流不為零，橋路上的電流大小與電源電壓，橋臂的電阻有關(guān)。 利用非平衡電橋進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)具體選定，除待測(cè)電阻外其他電阻的阻值以及電源電壓，這樣待測(cè)電阻Rt與橋路上的電流Ig就有唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定Rt—Ig關(guān)系的過(guò)程，即為非平衡電橋的定標(biāo)。 如圖3所示的溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路與圖2所示的原理圖相比有三點(diǎn)不同： （1） 增加一個(gè)二極管LED，作為電源指示燈，它的工作電壓為1.3V； （2） 檢流計(jì)G換成微安表頭（因?yàn)闄z流計(jì)只能作為平衡指示器，不能提供讀數(shù)； （3） 在bd支路中增加一個(gè)“校準(zhǔn)”支路，當(dāng)S2扳至“?！睍r(shí)，溫度計(jì)處于“校準(zhǔn)”狀態(tài)，當(dāng)S2扳至“測(cè)”時(shí)，溫度計(jì)處于“測(cè)量”狀態(tài)。S2是該儀表的狀態(tài)選擇開(kāi)關(guān)。 將電路中各元件按圖3安裝好后，就可以進(jìn)行溫度測(cè)量了。也就是在刻度盤上直接按溫度來(lái)標(biāo)定。但微安表指示值是電流值而不是溫度值。怎樣才能通過(guò)微安表的偏轉(zhuǎn)來(lái)讀出相應(yīng)的溫度值呢？ 通過(guò)定標(biāo)實(shí)驗(yàn)來(lái)描繪出一條定標(biāo)曲線（如圖4），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，這樣可以在刻度盤上直接按溫度來(lái)定標(biāo)。這樣指針的偏轉(zhuǎn)既能現(xiàn)實(shí)電流值，又能顯示溫度值。 由于一定的溫度對(duì)應(yīng)一定的Ig（t），因而可能將微安表改裝成溫度表，由于Ig隨溫度t的變化時(shí)非線性的，所以改裝的溫度表刻度是非均勻的。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意合理選取電路參數(shù)。 2實(shí)驗(yàn)儀器 熱敏電阻溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)儀 NTC熱敏電阻 溫度計(jì) 萬(wàn)用表 旋轉(zhuǎn)式電阻箱 3實(shí)驗(yàn)過(guò)程方法 1. 計(jì)算R1=R2=-； 2. 用萬(wàn)用表量實(shí)驗(yàn)儀器上的R1、R2，使R1=R2=（上述計(jì)算值）K?； 3. 按（圖3）接線； 4. 電源程序開(kāi)關(guān)打開(kāi)，表上有指示值，接上電阻箱（用電阻箱取代Rt） （1） 開(kāi)關(guān)倒向測(cè)量端，使Rt=Rt1，如果μA表指零，調(diào)R3使μA表指零，此時(shí)R3=Rt1； （2） 使Rt=Rt2，如果μA表不滿偏，調(diào)分壓器R，是μA表滿偏，此時(shí)Ucd達(dá)到設(shè)定值（1.3V）； （3） 在以上以調(diào)定的狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)倒向校準(zhǔn)端，調(diào)R4使μA表滿偏，此時(shí)R4=Rt2。取下電阻箱，插上熱敏電阻進(jìn)行測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)。 （4） 由于溫度的變化時(shí)Rt發(fā)生變化，隨之在橋上產(chǎn)生不平衡的電流； （5） 用實(shí)際熱敏電阻代替電阻箱，整個(gè)部分就是經(jīng)過(guò)定標(biāo)的半導(dǎo)體溫度計(jì)； （6） 選取Ucd=1.3V，它可以保證熱敏電阻工作在它的伏安特性曲線的直線部分。（依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制定標(biāo)曲線） 4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄 表1 實(shí)驗(yàn)定標(biāo)數(shù)據(jù) t/℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 n/格 2.5 5.5 8.5 11.0 14.5 18.0 19.0 22.5 24.0 25.0 Ig/μA 5.0 11.0 17.0 22.0 29.0 36.0 38.0 45.0 48.0 50.0 5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 此實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)的基本數(shù)據(jù)如下：Rg=2.36K?、Rt1==4.121K?、Rt2=0.876K?、Ig=50μA、Ucd=1.3V。 由式R1=R2=-，得R1=R2=10.72K? 6實(shí)驗(yàn)結(jié)果 依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，繪制定標(biāo)曲線 7小結(jié) 微安計(jì)中的電流大小直接反映了熱敏電阻的阻值大小，因此可以利用這種非平衡電橋的電路原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量；依據(jù)橋路電流Ig與溫度T的關(guān)系，從理論上推導(dǎo)得到此函數(shù)是有一定下凸性的非線性單調(diào)增曲線，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出了t-Ig的定標(biāo)曲線。 參考文獻(xiàn)： [1]李學(xué)慧，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M],北京；高等教育出版社，2005,6（1）：365—371. [2]丁慎訓(xùn)，張連芳，物理實(shí)驗(yàn)教程[M]，第二版，北京；清華大學(xué)出版社，2002（9）：167—172. [3]楊術(shù)武，普通物理實(shí)驗(yàn)[M],第三版，北京；高等教育出版社，2000（5）：76—81. [4]吳泳華，霍劍青，熊永紅，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]，第一冊(cè)，北京；高等教育出版社，2001,6（1）：102—107.