半导体温度计的设计实验报告.doc

开放性实验实验报告半导体温度计的设计学 院： 浙江农林大学天目学院 系 部： 生物环境系 班 级： 中药102班 姓 名： 学 号： 指导老师： 邹红玉 摘要：本文讨论了通过测量半导体热敏电阻的实验，测得实验数据用Origin软件分析相关数据画出I-T图像，了解热敏电阻的电阻温度特性及测温原理，学习惠斯通电桥的原理及使用方法，学习坐标变换、曲线改直的技巧的问题，同时完成半导体温度计的设计。关键词：origin软件热敏电阻惠斯通电桥温度电流 前言热敏电阻是由对温度非常敏感的半导体陶瓷质工作体构成的元件。与一般常用的金属电阻相比，它有大得多的电阻温度系数值。热敏电阻作为温度传感器具有用料省、成本低、体积小等的优点，它可以简便灵敏地测量微小温度的变化，在很多科学研究领域都有广泛的应用。本实验的目的是：了解热敏电阻的电阻-温度特性及测温原理，学习惠斯通电桥的原理及使用方法，学习坐标变换、曲线改直的技巧。一 实验仪器： 二 实验原理热敏电阻的电阻值与温度的关系为其中，A、B是与半导体材料有关的常数；T为绝对温度。根据定义，电阻温度系数为其中，是在温度为t时的电阻值。半导体材料做成的热敏电阻的基本特性是它的温度特性, 这种特性与半导体材料的导电机制密切相关。温度越高, 载流子的数目越多, 导电能力越强, 电阻率也就越小。由于半导体中载流子数目随温度升高而按指数规律迅速增加, 因此随着温度的升高, 热敏电阻的阻值将按指数规律迅速减小。半导体温度计是利用半导体的电阻值随温度急剧变化的特性而制作的，以半导体热敏电阻为传感器，通过测量其电阻值来确定温度的仪器。这种测量方法称为非电量的电测法，为了实现这种方法，采用电学仪器来测量热敏电阻的阻值，还需要了解热敏电阻的伏安特性。半导体温度计测温电路的原理图如右：图中G是微安表， RT为热敏电阻，当电桥平衡时，表的指示必为零，此时应满足条件：若取R1 = R2，则R3的数值即为RT的数值。平衡后的电桥若其中某一臂的电阻又发生改变，则平衡将受到破坏，微安表中将有电流流过，若电桥电压，微安表内阻Rg，电桥各臂电阻R1，R2，R3已定，就可以根据微安表的读数Ig的大小计算RT的大小来。也就是说，微安表中的电流大小直接反映了热敏电阻的阻值的大小程度，因此可以利用这种“非平衡电桥”的电路原理来实现对温度的测量。三 实验内容NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O1000000欧姆，温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流、测温、控温、温度补偿等方面。1在试验过程中控制三个电阻箱的阻值恒定（R1=2000 R2=100 R3=95），将热敏电阻侵入准备好的烧杯中的水里，调节烧杯中水的温度（向烧杯中添加热水）以改变热敏电阻的阻值，测量温度上升过程中，各对应温度点的电流值。2记录各温度下的电流值，然后绘制I-T特性曲线。四 数据处理：在试验过程中记录的不同温度下相对应的电流值温度（）28.030.932.533.534.635.636.537.838.439.2电流（mA）0.060.180.280.340.380.440.480.540.550.58温度 ()39.540.541.643.344.545.545.947.149.2电流（mA）0.600.620.660.720.760.790.820.840.90用Origin软件绘制的IT曲线y=0.06,0.18,0.28,0.34,0.38,0.44,0.48,0.54,0.55,0.58,39.5,40.5,41.6,43.3,44.5,45.5,45.9,47.1,49.2; x=28.0,30.9,32.5,33.5,34.6,35.6,36.5,37.8,38.4,39.2,39.5,40.5,41.6,43.3,44.5,45.5,45.9,47.1,49.2; plot(x,y)五 设计要求（1）在所测量的温度范围内，要求作为温度计用的微安计的全部量程均能有效地利用，即当温度为20时，微安计指示为零；而温度为70时，微安计指示为满刻度。（2） 要求长时间的测量（如几分钟）时，微安计的读数应稳定不变。可提供的仪器和元件:热敏电阻、待焊接的电路板、微安计、电阻器、烙铁、电阻箱、电池、多挡开关、导线、多用表、恒温水浴等。注意事项（1） 所要定标的温度点，应从热敏电阻的电阻-温度曲线上读取。（2） 校准温度时，必须找到设计时使用的那个热敏电阻，实际完毕后，请焊下所有元件，仪器归位。六 设计方案（1） 在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻-温度曲线，确定所设计的半导体温度计的下限温度（20）所对应的电阻值RT1和上限温度（70）所对应的电阻值RT2。再由热敏电阻的伏安特性曲线确定最大工作电流IT。根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取VCD=1V，它可以保证热敏电阻工作在它的伏安特性曲线的直线部分。（2） 令R3=RT1，即测量温度的下限电阻值，由式（3）计算出桥臂电阻R1和R2的电阻值。式中RT2为量程上限温度的电阻值；RG为微安表的内阻。（3） 熟悉线路原理图（图3.5.3-2）和底版配置图（图3.5.3-4），对照实验所用元件、位置及线路的连接方向。（4） 注意正确使用电烙铁，学会焊接，防止重焊、虚焊、漏焊、断路。焊接时K1放在1挡，电流计“+”端与E处要最后连接，以免损坏电表。（5） 标定温度计1） R1和R2的调节和测量：开关置于1挡，拨下E处接线，断开微安计，用多用表检查R1和R2，使之阻值达到式（3）的计算值（可以取比计算值略小的整数）。2） 将电阻箱接入接线柱A和B，用它代替热敏电阻，开关置于3位置，令电阻箱的阻值为测量下限温度（20）所对应的RT1，调节电位器R3，使电表指示为零（注意，在以后调节过程中，R3保持不变）。然后，使电阻箱的阻值为上限温度（70）所对应的RT2，调节电位器R，使微安计满量程。（为什么调R可使电表满刻度？）3） 开关置于2挡，调节电位器，R4，使微安计满量程，这时，R4=，RT2。4） 开关置于3挡，从热敏电阻的电阻-温度特性曲线上读出温度2070，每隔2.5读一个电阻值。电阻箱逐次选择前面所取的电阻值，读出微安计的电流读数I。将图3.5.3-5的表盘刻度改成温度的刻度。另外，作出对应的I-T曲线并与表盘刻度比较。（6） 用实际热敏电阻代替电阻箱，整个部分就是经过定标的半导体温度计。用此温度计测量两个恒温状态的温度（如35、55）。读出半导体温度计和恒温水浴自身的温度，比较其结果（也可试测自己的体温或室温）。七 实验总结,在实验过程中使用电桥时，应避免R1，R2，R3同时调到零值附近测量。这样可能会出现较大的工作电流，测量精度也会下降。电桥的工作电压一般不超过3V，否则通过热敏电阻的电流过大，可能损坏热敏电阻。热敏电阻作为测量温度的敏感元件时，必需要求它的电阻值只随环境温度而变化，与通过的电流无关。因此，流经热敏电阻的电流一般选取其伏安特曲线的线性部分的五分之一；同时流过的电流越小越好。测量时，密切注视检流计G，若指针迅速偏转，说明通过G的电流很大，应迅速断开K1，以免烧坏检流计。注意绝对温度T与摄氏度t的关系。通过实验，我们很明显的可以发现热敏电阻的阻值对温度的变化是非常敏感的，而且随着温度上升，其电阻值呈指数关系下降。因而可以利用电阻温度特性制成各类传感器，可使微小的温度变化转变为电阻的变化形成大的信号输出，特别适于高精度测量。又由于元件的体积小，形状和封装材料选择性广，特别适于高温、高湿、振动及热冲击等环境下作温湿度传感器