实验3半导体温度计的设计

实验7.3 半导体温度计的设计
温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关，温度与科研，生产，人们的生活，植物生长有密切的关系，因此对温度的研究就显得尤为重要。

半导体温度计是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。

这种测量方法为非电量的电测法，它可以将各种非电量，如长度、位移、应力、应变、温度、光强等转变成电学量，如电阻、电压、电流、电感和电容等，然后用电学仪器来进行测量。

直流电桥是一种精密的电学测量仪器，可分为平衡电桥和非平衡电桥两类。

平衡电桥是通过调节电桥平衡，将待测电阻与标准电阻进行比较得到待测电阻的大小，如惠斯登电桥、开尔文电桥等都是平衡式直流电桥。

由于需要调节平衡，因此平衡电桥只能用于测量具有相对稳定状态的物理量。

随着测量技术的发展，电桥的应用不再局限于平衡电桥的范围，非平衡电桥在非电量的测量中已得到广泛应用。

实际工程和科学实验中，待测量往往是连续变化的，只要能把待测量同电阻值的变化联系起来，便可采用非平衡电桥来测量。

将各种电阻型传感器接入电桥回路，桥路的非平衡电压就能反映出桥臂电阻的微小变化，因此，通过测量非平衡电桥的输出电压就可以检测出待测量的变化，如温度、压力、湿度等。

本实验要求测试温度在20~70℃的范围内，选用合适的热敏电阻和非平衡电桥线路来设计一个导体温度计。

这是一个比较典型的非平衡电桥应用实例，也是市场上各类半导体温度计的雏形，具有一定实用价值。

【实验目的】
1.了解非平衡电桥的工作原理及其在非电量电测法中的应用。

2.理解以热敏电阻为检测元件的温度传感器的电路结构及电路参数的选择原则。

3.根据热敏电阻的伏安特性和电阻-温度特性，依据设计要求，掌握半导体温度计的设计方案以及温度计的定标。

【实验仪器】
计算机仿真软件
【实验原理】
1.热敏电阻
热敏电阻是一种阻值随温度改变发生显著变化的敏感元件。

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。

根据所具有电阻温度系数的不同，热敏电阻可分三类：1．正电阻温度系数热敏电阻：阻值随温度升高而增加；2．临界电阻温度系数热敏电阻：某一特定温度下电阻只会发生突变；3．普通负电阻温度系数热敏电阻：阻值随温度升高而减小。

前两类的电阻急变区的温度范围窄，故适宜用在特定温度范围作为控制和报警的传感器。

第三类在温度测量领域应用较广，是本实验所用的热敏元件。

具有负温度系数的热敏电阻被广泛应用于工、农、医、交通、军事、科研等各个领域的温度测量和温度控制技术中。

这类热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物（主要用Mn、Co、Ni、Fe等
氧化物）在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制做而成，它们具有P 型半导体的特性。

对于一般半导体材料，电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对来说可以忽略。

但对上述过渡金属氧化物则有所不同，在室温范围内基本上已全部电离，即载流子浓度基本与温度无关，此时主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度升高，迁移率增加，所以这类金属氧化物半导体的电阻率下降，根据理论分析，对于这类热敏电阻的电阻——温度特性的数学表达式通常可以表示为： 2511298t n R R exp B T ⎡⎤⎛⎫=⋅- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦
(7.3-1) 其中R 25和R t 分别表示环境温度为25℃和t ℃时热敏电阻的阻值：T=273+t ；B n 为材料常数，其大小随制做热敏电阻时选用的材料和配方而异，对于某一确定的热敏电阻元件，它可由实验上测得的电阻—温度曲线的实验数据，用适当的数据处理方法求得。

为实现非电量的电测法，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。

由图7.3-1可知，在V -I 曲线的起始部分，曲线接近线性，这是因为电流小时在热敏电阻上消耗的功率不足以显著地改变热敏电阻的温度，因而符合欧姆定律。

此时，热敏电阻的阻值主要与外界温度有关，电流的影响可以忽略不计。

图7.3-1 热敏电阻伏安特性曲线 图7.3-2 热敏电阻测温电路原理图
2. 半导体温度计测温电路
半导体温度计测温电路的原理图如图7.3-2所示（仅供参考），图中Ｇ是微安计，R T 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R 1/R 2=R 3/R T ，若取R 1=R 2，则R 3的数值即为R T 的数值。

平衡后，若电桥某一臂的电阻又发生改变（如R T ），则平衡将受到破坏，微安计中将有电流流过，若电桥电压，微安计内阻R G ，电桥各臂电阻R 1、R 2、R 3已定，就可以根据微安计的读数I G 的大小计算出R T 的大小来。

也就是说，微安计中的电流的大小直接反映了热敏电阻的阻值的大小，因此就可以利用这种“非平衡电桥”的电路原理来实现对温度的测量。

由上述可知，可由E 、R G 、R 1、R 2确定I G 和R T 的关系，如何选定E 和R 1、R 2、R 3呢？由电桥原理可知：当热敏电阻的阻值在测温量程的下限R T1时，要求微安计的读数为零（即I G =0），此时电桥处于平衡状态，满足平衡条件。

若取R 1=R 2，则R 3=R T1，即R 3就是热敏电阻处在测温量程的下限温度时的电阻值，由此也就决定了R 3的电阻值。

当温度增加时，热敏电阻的电阻值就会减小，电桥出现不平衡，在微安计中就有电流流过。

当热敏电阻处在测温量程的上限温度电阻值R T2时，要求微安计的读数为满刻度。

此时，流入微安计中的电流I G 与加在电桥两端的电压V CD 和R 1、R 2有关，由于选取起始状态（I G =0时）是对称电桥，V O I b
a c
V max
即R 1=R 2，故I G 只与V CD 和R T2有关。

若流入热敏电阻R T 中的电流I T 比流入微安计内的电流I G 大得多（即I T >> I G ），则加在电桥两端上的电压V CD 近似有
()3CD T V I R R =+ (7.3-2)
根据所选定的热敏电阻的最大工作电流（当R 3=R T2时），可由式（7.3-2）确定供电电池的个数。

根据图7.3-2的电桥电路，由基尔霍夫方程组可以求出流入微安计的电流I G 与V CD 、R 1、R 2、R 3、R T2的关系： 22123232121232
T T G CD T G T R R R R R R I V R R R R R R R R R -++=++++ (7.3-3) 由于R 1=R 2、R 3=R T1，整理后有
212112122122CD T T T G G T T T T V R R R R R I R R R R ⎛⎫⎛⎫=--+ ⎪ ⎪++⎝⎭⎝⎭
(7.3-4) 由式（7.3-4）就可以最后确定R 1（R 2）的数值。

这样确定的R 1和R 2是与选择的V CD 相对应，也就是和I T 相对应的，由式（7.3-4），它取决于所选择的I T ，I T 小一些，则V CD 也小一些，相应的R 1和R 2的实际值也可以比计算值小一些，但不应比计算值大（为什么？）。

在本实验中，可以选取V CD =1V ，代入式（7.3-4），可得R 1。

一般加在电桥两端的电压V CD 比所选定的电池的电动势要低些，为了保证电桥两端所需的电压，通常在电源电路中串联一个可变电阻器R ，它的电阻值应根据电桥电路中的总电流来选择。

【实验内容】
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，参考电路见图7.3-3。

图7.3-3 半导体温度计参考电路
1．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。

2．可提供的仪器和元件
热敏电阻及恒温水浴箱、微安表、可调电阻器（3个）、四线电阻箱、1.5V 电池、单刀开关、滑动变阻器、万用表及表笔等。

3．参考设计方案
（1）根据数据表(数据表格要加入)格中所给的热敏电阻值与各温度点对应关系表，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R T1和上限温度（70℃）所对应的电阻值R T2。

再由热敏电阻的伏安特性曲线确定最大工作电流I T。

根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取V CD=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=R T1，即测量温度的下限电阻值，由式（7.3-4）计算出桥臂电阻R1和R2的电阻值，公式中R T2为量程上限温度的电阻值，R G为微安表的内阻。

计算桥臂电阻值，已知参数：微安表表头内阻值R G=1.2KΩ，表头量程为100μA；根据已知数据，选取R1=R2，R3等于20℃时热敏电阻对应的阻值，根据R1计算公式：选择V CD=1V，求得：
R1=R2= （Ω）。

（3）调节可调电阻器R1、R2、R3电阻值，用多用表边测量边调节可调电阻器R1和R2，使之阻值达到式（7.3-3）的计算值（可以取比计算值略小的整数）；并同样调节可调电阻器R3为测量下限温度（20℃）所对应的R T1。

注意正确使用万用表，特别是欧姆档的正确使用方法。

（4）熟悉线路原理图（图7.3-2），并对照实验参考电路图（图7.3-3）所用元件、位置及线路的连接方向进行实验线路的连接。

（5）调节电桥平衡状态。

1）电阻箱的阻值为测量下限温度（20℃）所对应的R T1；
2）微安表调零，调节微安表调零旋钮，将微安表进行调零；
3）调节滑动变阻器，选择使用数字万用表的电压档测量电桥分压，令V CD=1V。

4）闭合线路开关，观察电桥是否平衡。

如果不平衡，则微调可调电阻器R3，使电桥平衡，平衡时微安表的读数为零（注意，在以后调节过程中，R3保持不变）。

（6）标定微安表表盘
1）电桥调节平衡完成以后，然后调节电阻箱的阻值为上限温度（70℃）所对应的R T2，再次调节滑动变阻器，使微安表满量程（为什么调节滑动变阻器可使电表满刻度？）。

设想如果微安表正负输入端接反会有什么现象？
2）保持电路各个仪器状态不变，依次调节电阻箱阻值等于20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃时对应的热敏电阻阻值，将不同阻值时微安表对应的电流值记录到数据表格中，同时将微安表表盘刻度改为温度刻度。

3）将图7.3-4的表盘刻度改成温度的刻度，将温度值输入到微安表窗体的“新增刻度”输入框中，并点击“新增刻度”按钮，此时会在微安表指针当前位置处新增一条红色刻度线并标有相应的温度值。

图7.3-4 微安表读数刻度盘
（7）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。

4．实验步骤及操作方法
（1）进入实验场景窗体
（2）计算并调节各个桥臂电阻值
根据实验原理，计算出线路中的桥臂电阻R1、R2的值，并取R3=R T1；将万用表置于20KΩ档，接到可调变阻器1上，并调节可调变阻器1的阻值等于计算出的桥臂电阻R1的值，同样方法，测量并调节可调变阻器2、可调变阻器3的阻值分别等于桥臂电阻R1及R3的值。

（3）实验连线---温度标定
当鼠标移动到实验仪器接线柱的上方，拖动鼠标，便会产生“导线”，当鼠标移动到另一个接线柱的时候，松开鼠标，两个接线柱之间便产生一条导线，连线成功；如果松开鼠标的时候，鼠标不是在某个接线柱上，画出的导线将会被自动销毁，此次连线失败。

根据电路图连接好电路，然后在数据表格中点击“连线”模块下的“确定状态”按钮，保存连线状态。

（4）调节电桥平衡
首先将微安表进行调零，然后调节电阻箱的阻值等于20℃温度点对应的热敏电阻阻值；调节滑动变阻器的滑片到合适位置；闭合线路开关；如果此时微安表的读数为零，则说明电桥平衡；如果微安表的读数不为零，则微调可调变阻器3的阻值使电桥平衡（此处只可调节可调变阻器3，不能调节R1、R2的值，且调节平衡后，在后续的操作中不可再调节）。

（5）标定微安表刻度盘
A.调节电阻箱阻值为70℃温度点对应的热敏电阻值，然后调节滑动变阻器滑片位置使微安表指针指向满刻度位置。

B.保持滑动变阻器滑片位置不变，依次调节电阻箱阻值等于各个温度点的热敏电阻值，在微安表的“温度标定”框中输入对应的温度值并点击新增刻度按钮，则微安表刻度盘上的指针当前位置将增加一条温度刻度线。

C.依次完成各个温度点的标定，此时微安表表盘的标定就完成了，标定后的表盘如图7.3-8所示：
图7.3-8标定后的微安表刻度盘
（6）用热敏电阻替换标准电阻箱，再次连线
将电阻箱接线柱上的连线移接到热敏电阻的接线柱上，用热敏电阻替换电阻箱，并保持线路中其它连线及仪器状态不变。

连接好电路后，然后在数据表格中点击对应的“连线”模块下的“确定状态”按钮，保存连线状态。

（7）用热敏电阻进行温度测量
打开水浴锅开关，设置水浴锅的水温，待水浴锅进入恒温状态后，点击保存第一次选择的温度值“保存状态”按钮，然后从微安表上读取测量的温度值，并与水浴锅上的温度进行比较，并记录当前的微安表电流值；然后再次调节水浴锅温度值，选择一个较高温度重复测量。

（8）记录数据
实验过程中，及时记录所测量的数据，并填写到数据表格中对应的位置，完成数据表格。

5. 注意事项
（1）所要定标的温度点，应从热敏电阻的电阻-温度表格中读取。

（2）要先调节并测量好可调电阻器的阻值以后，再进行实验线路的连接。

（3）菜单按钮。

右上角工具箱:各种使用工具，如计算器等。

右上角help和关闭按钮：help可以打开帮助文件，关闭按钮功能就是关闭实验。

实验仪器栏:存放实验所需的仪器，可以点击其中的仪器拖放至桌面，鼠标触及到仪器，实验仪器栏会显示仪器的相关信息；仪器使用完后，则不允许拖动仪器栏中的仪器了。

提示信息栏:显示实验过程中的仪器信息，实验内容信息，仪器功能按钮信息等相关信息，按F1键可以获得更多帮助信息。

实验状态辅助栏:显示实验名称和实验内容信息(多个实验内容依次列出)，当前实验内容显示为红色，其他实验内容为蓝色；可以通过单击实验内容进行实验内容之间的切换。

切换至新的实验内容后，实验桌上的仪器会重新按照当前实验内容进行初始化。

【思考题】
1.此实验中存在的误差主要包括哪些？如何降低这些误差？
2.实验中为什么要先调节并测量好可调电阻器的阻值以后，再进行实验线路的连接？
【仪器介绍】
一、实验场景
半导体温度计设计实验装置包括：热敏电阻及水浴锅、微安表、1.5V电池、滑线变阻器、四线电阻箱、可调变阻器、数字万用表以及表笔、单刀开关等，实验场景如图7.3-5所示：
图7.3-5 实验主场景
二、实验仪器
1．数字万用表
数字万用表是一种多用途电子测量仪器，有时也称为万用计、多用计、多用电表，或三用电表。

本实验中使用的是3 位半数字万用表，如图7.3-6所示：
图7.3-6 万用表面板结构
（一）仪器结构：
1）液晶显示器：显示仪表测量的结果，超量程时，最高位显示“1”或“-1”；
2）POWER电源开关：鼠标点击时，可以打开或关闭电源；
3）B/L背光开关：开启背光灯，约10秒后自动关闭；
4）三极管测试面孔：测试三极管特性的插孔，实验中无此项功能；
5）HOLD保持开关：按下此功能键，仪表当前所测数值保持在液晶显示器上并出现“HOLD”字样，再次按下，“HOLD”符号消失，退出保持功能状态；
6）档位旋钮：用于改变测量功能及量程，本实验中旋钮只可置于二极管测试档、欧姆档、直流电压档、交流电压档、交流电流档、直流电流档等档位，其他档位不可用；
7）电压、电阻及频率插孔：当进行电压、电阻及频率的测量时，使用此插孔；
8）公共地COM插孔：测试附件正极插孔；
9）毫安电流测量插孔：用于测量小于20mA电流的插孔；
10.20A电流测量插孔：用于测量大于20mA并小于20A的大电流插孔；
（二）测量方法：
1）使用前，首先要点击Power开关，打开万用表电源。

2）直流电压的测量：首先将黑表笔插进“com”孔，红表笔插进“VΩH Z”。

把旋钮选到比估计值大的量程（注意：表盘上的数值均为最大量程，“V－”表示直流电压档，“V～”表示交流电压档），然后将测试表笔跨接在被测线路上，红表笔所接的该点电压与极性显示在液晶显示屏上。

3）交流电压的测量：表笔插孔与直流电压的测量一样，不过应该将旋钮打到交流档“V～”处所需的量程即可。

交流电压无正负之分，测量方法跟前面相同。

4）直流电流的测量：先将黑表笔插入“COM”孔。

若测量大于200mA的电流，则要将红表笔插入“20A”插孔并将旋钮打到直流“20A”档；若测量小于200mA的电流，则将红表笔插入“200mA”插孔，将旋钮打到直流200mA以内的合适量程。

调整好后，就可以测量了。

将万用表串联到电路中，保持稳定，即可读数。

5）交流电流的测量：测量方法与直流电流的测量相同，不过档位应该打到交流档位。

6）电阻的测量：将表笔插进“COM”和“VΩH Z”孔中，把旋钮打旋到“Ω”中所需的量程，用表笔接在电阻两端。

在使用欧姆档时，应先将表笔断路，测得欧姆档的零点偏差值，然后在实测中减去零点偏差值。

注意：每一次更换欧姆档位时零点偏差值均会发生改变。

（三）注意：
1）如测量时高位显示为“1”，表明已超过量程范围，须将档位开关转至较高档位上。

2）当仪表停止使用约（20±10）分钟后，仪表便自动断电进入休眠状态；若要重新启动电源，再按两次“POWER” 开关，就可重新接通电源。

2．电池
实验中只可进行连线操作，突出的金属端为正极，绿色的金属片一端为负极。

3．微安表
此微安表为直流微安表，分为四个量程：100μA、200μA、500μA、1000μA，此实验只要求使用100μA档位；使用过程中注意保护流过微安表的电流不要超过量程。

如果超量程烧毁后，请先将仪器从桌面上移除，并从实验仪器栏中重新加载更换好的仪器。

4．热敏电阻及水浴锅
水浴锅的温控范围为室温～99.9℃，升温速度为6℃/min；热敏电阻被放置在试管中，与试管一起进行水浴；如图7.3-7所示。

图7.3-7热敏电阻及水浴锅
使用方法：首先打开电源；然后按下“SET”键，数码管数字开始闪动，此时可以设定温控温度，按“∧”或“∨”键，使数码管显示为所需要的设定温度；再按“SET”键，回到标准工作模式。

这时仪器已在加热，指示灯开始闪烁，待水箱水温已达到了所设定的温度，指示灯停止闪烁，开始自动恒温。

5．滑线变阻器
滑动片：可以左右拖动滑动片，粗调滑线变阻器在线路中的电阻值。

微调按钮：点击或按下微调按钮，微调滑线变阻器在电路中的电阻值。

6．四线电阻箱
为电路提供一定大小的电阻，同时有分压的功能，电阻箱上有六个不同档位的旋钮，依次对应0.1Ω档、1Ω档、10Ω档、100Ω档、1000Ω档、10000Ω档。

每个旋钮有0 — 9，共10个刻度值。

左击电阻箱上的旋钮，旋钮顺时针旋转；右击，旋钮逆时针旋转。

7．单刀开关
单刀开关，控制电路的闭合。

界面中有两个开关状态按钮，一个是闭合，一个是断开。

点击闭合，开关闭合，显示闭合图片；点击断开，开关断开，显示断开图片。