热敏电阻温度计的设计与安装-辽宁科技大学

热敏电阻温度计的设计安装与使用（辽宁科技大学材料与冶金学院材料科学与工程15-3学号：3）摘要：用半导体热敏电阻作为传感器，设计制作一台测温范围为20~70℃的半导体温度计，利用“非平衡电桥”的电路原理来实现对温度的测量，并依据实验数据画出t-Ig的定标曲线。关键词：NTC热敏电阻；非平衡电桥；温度计；定标曲线中图分类号：0447文献标识码：A文章编号：引言热敏电阻是一种敏感元件，其特点是电阻随温度的变化而显著变化，因而能直接将温度的变化转换为电量的变化，也就是说能将温度信号转化为电信号，从而实现了非电量的测量。热敏电阻一般是用半导体材料制成的温度系数范围约为：（－0.003~＋0.6）／℃。热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成PTC热敏电阻和NTC热敏电阻两类。NTC热敏电阻是以锰、钴、镍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。近年来还有用单晶半导体如碳化硅等材料制成的（国产型号MF91~MF96）负温度系数热敏电阻器。NTC热敏电阻做为温度传感器具有体积小，结构简单，灵敏度高，并且本身阻值大，一般在102~105之间，不需要考虑引线长度带来的误差，易于实现远距离测量和控制。NTC热敏电阻的测温范围较宽，特别适用于－100~300℃之间的温度测量。NTC热敏电阻在工作温度范围内，其阻值随温度增加而显著减小，大多用于测温和控温，可以制成流量计和功率等。它在自动化、无线电技术、测温技术等方面都有广泛应用。1·实验原理1.1负温度系数热敏电阻的温度特性统计理论指出，热敏电阻的电阻值与温度的关系为：Rt=A·expB／T，其中A、B—半导体有关的常熟（理论分析和实验结果表明，B值随温度略有变化，但在一般工作温度范围内近似为常数；B值越大，阻值随温度的变化越大）;T表示热力学温度。t表示摄氏温度，且T＝273.15＋t；Rt—在摄氏温度为t时的电阻值，随温度上升，其电阻值呈指数关系下降（如图一）。图1负温度系数热敏电阻的温度特性图2非平衡电桥图3热敏电阻温度计的实验电路图图4定标曲线1.2非平衡电桥电桥是一种用比较法进行测量的仪器。所谓非平衡电桥，是指在测量过程中电桥是不平衡的。桥路上的电流不为零，桥路上的电路的大小与电源电压，桥臂电阻有关。利用非平衡电桥进行测量时，应具体选定，除待测电阻外其他电阻的阻值以及电源电压，这样待测电阻Rt与桥路上的电流Ig就有唯一对应的关系，确定Rt-Ig的关系的过程，即为非平衡电桥的定标。如图3所示的温度计的实验电路与图2所示的原理图相比有三点不同：giIitCt0/AIg/RTTT（1）增加了一个二极管LED，作为电源指示，他的工作电压为1.3V；（2）检流计G换成微安表头（因为检流计只能作为平衡指示器，不能提供读数）；（3）在bd支路中增加一个“校准”支路，当S2搬至“校”时，温度计处于“校准”状态，当S2搬至“测”时，温度计处于“测量”状态。S2是该仪表的状态选择开关。将电路中各元件按图3安装好后，就可以进行温度测量了。也就是在刻度盘上直接按温度来标定。但微安表指示值是电流值而不是温度值。怎样才能通过微安表的偏转来读出相应的温度值呢？通过定标试验来标绘一条定标曲线（如图4），有了定标曲线，就可以找到与任一电流值Igi相对应的温度值ti,这样就可以在刻度盘上直接按温度来定标。这样指针的偏转即能显示电流值又能显示温度值。由于一定的温度对应一定的Ig（t），因而可将微安表改装成温度表，由于Ig随t的变化时非线性的，所以改装的温度表是非均匀的。实验中应注意合理选取电路参数。2·实验仪器热敏电阻温度计试验仪NTC热敏电阻温度计万用表旋转式电阻3·实验过程与方法1、计算2、用万用表量实验仪器上的R1、R2，使R1=R2=（上述计算值）KΩ；3、按图3接线4、电源程序开关打开，表上有指示值接上电阻箱（用电阻箱取代Rt）（1）开关倒向测量端，使Rt=Rt1，如果µA表不指零，调R3使µA表指零，此时R3=Rt1；（2）使Rt=Rt2，如果µA表不满偏，调分压器R，使µA表满偏，此时Ucd达设到定值（1.3V）；（3）在以上已调定的状态下，开关倒向校准端，调R4使µA表满偏，此时R4=Rt2。取下电阻箱，插上热敏电阻进行测量，记录数据。（4）由于温度的变化Rt发生变化，随之在桥上产生不平衡的电流；21221121211)(2)()(2ttgttttggmttcdttRRRRRRRRIRRURRRR（5）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；（6）选取Ucd=1.3V，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。（依据实验数据绘制定标曲线）4·实验数据的记录表1定标实验数据表t/℃303540455055606570n/格68.511.5151719.52223.525Ig/μА1217233034394447505·实验数据的处理此试验台的基本数据如下：Rt1=4.451KΩ；Rt2=0.749KΩ；Ucd=1.3V；Igm=0.05mA；Rg=2.36KΩ；R=12.50KΩ==12.50KΩ6·实验结果依据表1的数据，绘制定标曲线图5定标曲线图7·小结微安计中的电流大小直接反映了热敏电阻的阻值大小，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：根据桥路电流Ig与温度T的关系，从理论上推导得到此函数是有一定下凸性的非线性单调增曲线，并依据实21221121211)(2)()(2ttgttttggmttcdttRRRRRRRRIRRURRRR749.0451.436.2749.0749.0451.4451.436.22-05.0749.0451.43.10.749-4.451验数据画出了t—Ig的定标曲线。参考文献：[1]李学慧.大学物理实验【M】,北京：高等教育出版社，2005，6（1）:365—371.[2]丁慎训，张连芳，物理实验教程【M】.第二版，北京：清华大学出版社，2002（9）:167—172.[3]杨述武，普通物理实验【M】，第三版，北京：高等教育出版社，2005（5）:76—81.[4]吴永华，霍剑青，熊永红，大学物理实验【M】，第一册，北京：高等教育出版社，2001,6（1）:102—107.