热敏电阻温度计的设计与安装

热敏电阻温度计的设计安装与使用张鹏（辽宁科技大学材料与冶金学院冶金12-A1学号：120123202078）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giIitCt0/AIg/RTTTRt-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：（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IRt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达设定值（1.3V）；21221121211)(2)()(2ttgttttggmttcdttRRRRRRRRIRRURRRR（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；（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/℃25303540455055606570n格0.52.559.512.515.517.519.521.523Ig/mA1.05.010.019.025.031.035.039.043.046.05实验数据的处理此试验台的基本数据如下：Rt1=3.860KΩ；Rt2=0.75KΩ；UCD=1.3V；Igm=0.05mA；Rg=1.94KΩ；R=12.40KΩ=（3.860-0.75）*1.3/（3.860+0.75）*0.05-2*（1。94*3.860+3.860*0.75+0.75*1.94）/（3.860+0.75）=12.403KΩ6实验结果依据表1的数据，绘制定标曲线21221121211)(2)()(2ttgttttggmttcdttRRRRRRRRIRRURRRR2530354045505560657001020304050t/℃Ig/μA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.遼寧科技大學UniversityofScienceandTechnologyLiaoning物理设计性实验报告实验题目热敏电阻温度计的设计与安装学生姓名张鹏学号120123202078预习成绩实验时间2013年12月2日星期一操作成绩专业班级冶金12-A1实验台号3实验成绩指导教师批阅时间年月日