半导体温度计的设计与制作

1、半导体温度计的设计与制作郭秋月 陈艳伟（东北师范大学，吉林 长春 ）摘要：对Pt100 铂热电阻的温度特性进行研究，利用惠斯通电桥给出热敏电阻阻值随温度变化的一元线性回归方程，用Pt100 铂热电阻设计、制作半导体温度计，并定标。关键词：半导体温度计；热敏电阻；温度特性曲线；温度计定标曲线0 引言温度计在人们日常公作、生活、和科研等方面是必不可少的测温工具。温度计有很多种，但都有各自不能克服的缺点。水银体温计易碎，易导致重金属污染，测量时间较长，不易读数；酒精温度计测温上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制，侧高温物体时易碎，且不能记录和远传；双金属温度计精度较低，量程和使用范围亦有限制；

2、压力式温度计热损失大，响应时间较慢；仪表密封系统（温包，毛细管，弹簧管）损坏难于修理，测量精度受温包安装位置影响较大，精度相对较低，毛细管传送距离有限制，测温距离较远时，仪表滞后现象严重等等。随着半导体技术的不断发展，热敏电阻作为一种新型感温元件应用越来越广泛。热敏电阻是对温度变化表现出非常敏感的半导体电阻，能测出温度微小的变化，体积小，灵敏度高，结构简单，工作稳定，热惯性小，寿命长且价格便宜。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。利用热敏电阻作为感温元件，并配有温度显示装置的仪表成为热敏电阻温度计，热敏电阻把温度信号转换成电信号，从而实现非电量的测量。1 原理1.1 热敏电

3、阻的温度特性Pt100 是铂热电阻，它的阻值会随温度的变化而变化。Pt后的100表示在0时阻值为100，在100时，它的阻值约为138.5，它的阻值会随着温度上升匀速增涨。1.2 平衡电桥（惠斯通电桥）测未知电阻原理利用电桥平衡测未知电阻阻值大小。如图1所示，电桥平衡时有RT = R2R4 R3测量时热敏电阻RT置于保温盒内，令电阻箱R3与电阻箱R4阻值相等，则电桥平衡时RT = R21.3 半导体温度计设计原理bcaK1K2UIgI2RTR3R4R2GI1d图1 惠斯通电桥电路图当RT在某一温度下，将电桥调平衡后，RT所在处温度改变，RT的阻值发生变化，电桥失平衡，检流计中有电流通过，指针发

4、生偏转，偏转越大，说明RT变化越大。根据桥路的基尔霍夫方程：I1R2 - IgRg - I2R4 = 0（I1 + Ig）RT + IgRg - (I2 - Ig)R3 = 0I2R4 + (I2 - Ig)R3 = UcdR3 = R4解出：Ig=R2-RTUcd2RTR2+RgRT+RgR2+R3(RT+R2)由上式可以看出，在R3(R4)、R2、Rg及Ucd恒定条件下，Ig的大小唯一的由RT值来决定，因而可根据G偏转的大小来直接指示温度的高低。2 热敏电阻温度特性的研究将热敏电阻和电子温度计测温探头一起放入大试管中，将大试管插入盛有热水的保温盒内水浴加热，当电子温度计示数不再上升时，将热

5、敏电阻接入图1所示惠斯通电桥电路，测量不同温度条件下热敏电阻的阻值。测量时，先使R3 = R4 = 10000，Ucd = 2.5V,R2取一个适当值（先用万用表粗略测一下RT）。闭合开关K1、K2，观察检流计指针的偏转，调节R2直至电桥平衡，此时RT = R2。让保温盒内的水自然降温，电子温度计示数每降低2左右，调节R2使电桥恢复平衡，记录此时温度及RT值。数据详见表1。3 半导体温度计的设计制作3.1 电路参数的确定利用图1所示电路，将热敏电阻用电阻箱R1替换。选取测温范围3076，30时RT阻值为RT(30),76时RT阻值为RT(76).（1）Ucd是桥路的工作电压，先取较小值（1V）

6、。（2）R2的确定：闭合开关K1、K2，令R2 = R1 = RT(30),R3R410000（电阻箱R3100档位存在误差），调节电桥平衡。（3）R3、R4的确定：同时调节R3、R4增大相同阻值（2000），缓慢增加R1阻值使检流计指针偏转但不超过量程。重复上述操作，直至R1 = RT(76)时检流计接近满偏，微调电源输出电压，使检流计满偏。此时，Ucd = 0.87V,R3=50400.0，R4=50030.0。3.2 温度计定标在检流计上的刻度线下方贴上一小弧形纸条，用于画刻度线。测温范围3076，每4取一点，代入热敏电阻温度特性曲线方程计算其对应阻值RT(n),n=30,34,38,7

7、6。闭合开关K1、K2，调节R1阻值，分别记录R1=RT(n) ,n=30,34,38,76时检流计的指针位置并在弧形纸条上画线。3.3 温度计的校正将惠斯通电桥中电阻箱R1位置换回热敏电阻，将热敏电阻和电子温度计测温探头一起放入大试管中，将大试管插入盛有热水的保温盒内水浴加热，当电子温度计示数降低到80时，闭合开关K1、K2，让保温盒内的水自然降温,当检流计指针与定标刻线重合时，记录电子温度计示数T标，对应半导体温度计测量值Ti，T =|Ti-T标|，做出校正曲线T-Ti。4 数据处理4.1 热敏电阻温度特性曲线的测定表1中实验数据通过计算机作图得到图2 热敏电阻温度特性曲线，最小二乘法拟合

8、得到线性回归方程：RT = 0.398T + 100.3。表1 热敏电阻阻值随温度的变化T/76.474.472.470.47069.167.365.163.261.2RT/130.68130.05129.04128.25128.23127.84127.18126.28125.56124.7158.956.754.552.350.548.546.544.542.540.538.5123.85122.96122.02121.13120.38119.63118.89118.09117.24116.43115.58图2 热敏电阻温度特性曲线4.2 温度计的制作定标曲线的确定：利用检流计定标半导体温度

9、计，测出在温度变化过程中10个温标条件下检流计的示数，将检流计表头改装为温度计表头，如图3所示。测量值见表2，作出温度计的定标曲线，如图4所示。表2 半导体温度计的定标数值T/40444852566064687276I/A01.12.23.64.86788.910 图3 改装的温度计表头 图4 温度计定标曲线4.3 温度计的校正实验所得数据如表3，根据公式T=|Ti-T标|，计算T。作出半导体温度计校正曲线T-Ti，如图5所示。表3 半导体温度计校正数据Ti/40444852566064687276T标/41.144.948.952.856.660.964.768.772.676.9T/1.10.90.90.80.60.90.70.70.60.9图5 半导体温度计校正曲线5 结论（1）实验得到Pt100铂热电阻温度特性曲线，给出线性回归方程。Pt100为正温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高均匀增涨。（2）制作出半导体温度计。通过非平衡电桥中检流计指针的偏转，来指示出温度计所指示的读数，以实现用热敏电阻测量温度。（3）做出半导体温度计的定标曲线及校正曲线。参考文献：1 李平舟武颖