物理實驗報告熱敏電阻溫度計的設(shè)計安裝和使用.doc

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熱敏電阻溫度計的設(shè)計安裝和使用 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)計制作一臺測溫度范圍在20-70℃的半導(dǎo)體溫度計，利用“非平衡電橋”的電路原理來實現(xiàn)對溫度的測量，并依據(jù)實驗數(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；定標(biāo)曲線 中圖分類號：0447 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 引言 熱敏電阻是一種敏感元件，其特點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，也就是說能將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，從而實現(xiàn)了非電量的測量。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)。近年來還有用單晶半導(dǎo)體如碳化硅等材料制成的（國產(chǎn)型號 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，不需考慮引線長度帶來的誤差，易于實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制。NTC熱敏電阻的測溫范圍較寬，特別適用于 -100—300℃之間的溫度測量。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，大多用于測溫和控溫，可以制成流量計和功率計等。它在自動化、無線技術(shù)、測溫計術(shù)等方面都有廣泛應(yīng)用。 1.實驗原理 1.1負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性 統(tǒng)計理論指出，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)（理論分析和實驗結(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熱敏電阻溫度計的實驗電路圖 1.2非平衡電橋 電橋是一種用比較法進行測量的儀器。所謂平衡電橋，是指在測量過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)。 利用非平衡電橋進行測量時，應(yīng)具體選定，除待測電阻外其他電阻的阻值以及電源電壓，這樣待測電阻Rt與橋路上的電流Ig就有唯一的對應(yīng)關(guān)系，確定Rt—Ig關(guān)系的過程，即為非平衡電橋的定標(biāo)。 如圖3所示的溫度計的實驗電路與圖2所示的原理圖相比有三點不同： （1） 增加一個二極管LED，作為電源指示燈，它的工作電壓為1.3V； （2） 檢流計G換成微安表頭（因為檢流計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“校準(zhǔn)”支路，當(dāng)S2扳至“?！睍r，溫度計處于“校準(zhǔn)”狀態(tài)，當(dāng)S2扳至“測”時，溫度計處于“測量”狀態(tài)。S2是該儀表的狀態(tài)選擇開關(guān)。 將電路中各元件按圖3安裝好后，就可以進行溫度測量了。也就是在刻度盤上直接按溫度來標(biāo)定。但微安表指示值是電流值而不是溫度值。怎樣才能通過微安表的偏轉(zhuǎn)來讀出相應(yīng)的溫度值呢？ 通過定標(biāo)實驗來描繪出一條定標(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相對應(yīng)的溫度值ti，這樣可以在刻度盤上直接按溫度來定標(biāo)。這樣指針的偏轉(zhuǎn)既能現(xiàn)實電流值，又能顯示溫度值。 由于一定的溫度對應(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的變化時非線性的，所以改裝的溫度表刻度是非均勻的。實驗中應(yīng)注意合理選取電路參數(shù)。 2實驗儀器 熱敏電阻溫度計實驗儀 NTC熱敏電阻 溫度計 萬用表 旋轉(zhuǎn)式電阻箱 3實驗過程方法 1. 計算R1=R2=-； 2. 用萬用表量實驗儀器上的R1、R2，使R1=R2=（上述計算值）K?； 3. 按（圖3）接線； 4. 電源程序開關(guān)打開，表上有指示值，接上電阻箱（用電阻箱取代Rt） （1） 開關(guān)倒向測量端，使Rt=Rt1，如果μA表指零，調(diào)R3使μA表指零，此時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Ucd達到設(shè)定值（1.3V）； （3） 在以上以調(diào)定的狀態(tài)下，開關(guān)倒向校準(zhǔn)端，調(diào)R4使μA表滿偏，此時R4=Rt2。取下電阻箱，插上熱敏電阻進行測量，記錄數(shù)據(jù)。 （4） 由于溫度的變化時Rt發(fā)生變化，隨之在橋上產(chǎn)生不平衡的電流； （5） 用實際熱敏電阻代替電阻箱，整個部分就是經(jīng)過定標(biāo)的半導(dǎo)體溫度計； （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)實驗數(shù)據(jù)繪制定標(biāo)曲線） 4實驗數(shù)據(jù)的記錄 表1 實驗定標(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實驗數(shù)據(jù)的處理 此實驗臺號的基本數(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實驗結(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實現(xiàn)對溫度的測量；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)實驗數(shù)據(jù)畫出了t-Ig的定標(biāo)曲線。 參考文獻： [1]李學(xué)慧，大學(xué)物理實驗[M],北京；高等教育出版社，2005,6（1）：365—371. [2]丁慎訓(xùn)，張連芳，物理實驗教程[M]，第二版，北京；清華大學(xué)出版社，2002（9）：167—172. [3]楊術(shù)武，普通物理實驗[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)物理實驗[M]，第一冊，北京；高等教育出版社，2001,6（1）：102—107.