热敏电阻温度计的设计安装和使用

实验五十一 热敏电阻温度计的设计安装和使用

利用热敏电阻作为感温元件，并且配有温度显示装置的温度测量仪表称为热敏电阻温度计。热敏电阻能把温度信号变成电信号，从而实现了非电量的（电测法）测量。值得提出的是，电量测量是现代测量技术中最简便的测量技术，不仅测量装置简单、造价低、灵敏度高、而且容易实现自动测量和自动控制，是测量技术的一个重要发展趋势。

本实验要求学生根据实验室提供的条件，设计和安装一台热敏电阻温度计，并对这台温度计的测量误差进行简要地测试和评价。

实验原理

1. 负温度系数热敏电阻的温度特性

热敏电阻按其温度特性可分为正温度系数型、负温度

系数型及开关型三大类。其中负温度系数热敏电阻器是以

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，温度低时，载流子数目小，因此阻值高；温度升高时，载流子数目急剧增加，因此阻值急剧下降，如图1所示，其方程可表示为 ：

T B T Ae R = （1）

式中A 、B 是与材料有关的常数。由（1）式看出，R T

是T 的单值函数，只要测出阻值R T 的变化就能推测出

温度T 的变化。

2. 非平衡电桥

非平衡电桥电路如图2所示，当R 1=R 2（对称电

图1

负温度系数热敏电阻的温度特性图2 非平衡电桥

桥）及R t =R 3时，电桥平衡，G 指零。如果R t 的阻值发生变化，则电桥的平衡条件被破坏，G 中就有电流通过，指针发生偏转，偏转越大，说明R t 变化也越大。

根据桥路的基尔霍夫方程：

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==++=−+−−=−+21

23

22213211)(0

)()(0R R U R I I R I R I R I I R I I R I R I R I cd t g g g t g g g g 解出 )

()(2)(31333t g t t g cd t g R R R R R R R R R U R R I ++++−= （2） 由式（2）看出，在R 1（R 2），R 3，R g 及U cd 恒定条件下，I g 的大小唯一地由R t 值来决定，因而有可能根据G 偏转的大小来直接指示温度的高低。

3. 热敏电阻温度计的实验电路

如图3 所示，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）增加一个发光二极管LED ，作为电源指示，

它的工作电压为2V ～3V 。

（2）检流计G 换成微安表头。

（3）最重要的改动是在bd 支路中增加一个“校

准”支路，当K 2扳至“校”时，温度计处于“校

准”状态，当K 2扳至“测”时，温度计处于“测

量”状态。K 2是该仪表的状态选择开关。

4. 电路参数的设计与计算

图3电路中需要设计计算的参数有四个，下面分别介绍：

(1)U cd 的确定

U cd 是桥路的工作电压，既不能过高，也不能过低。过高会使R t 产生自热现象，

图3 热敏电阻温度计的实验电路图

从而使被测环境的温度升高；过低则无法使微安表达到满偏。根据本实验中所用R t 的额定工作电流及微安表的量程，U cd 可在1.1~1.4V 之间确定一个值，如1.1V ，

1.2V ，或1.3V 均可。

(2)R 3值的确定

R 3的大小与温度计的下限t 1℃有关。若测温范围是由t 1℃到t 2℃，则t 1℃为下限，t 2℃为上限。热敏电阻作为感温元件，放在下限温度t 1℃的温度场中，它的阻值为R t1，放在上限温度t 2℃的温度场中，它的阻值为R t2，R t1和R t2都可以在热敏电阻的温度特性曲线上查到。确定R 3大小的原则是，当热敏电阻处于t 1℃温度时，微安表应指零。这样，在R 1=R 2的条件下，R 3必须等于R t1

即 R 3=R t1 （3）

(3)R 1（R 2）的确定

在非平衡电桥的参数设计中，一般都是使R 1与R 2相等，构成一个对称电桥。另外，R 1（R 2）的大小与许多因素有关，比如测量范围，微安表的内阻R g ，微安表的量限I gm ，桥路的工作电压U cd 等。

若温度计的测温上限为t 2 ℃，在这一温度下，热敏电阻的阻值为R t2，微安表应满偏

即 ⎩⎨⎧==gm g

t t I I R R 2 （4） 将（3）、（4）式代入（2）式中

得 )

()(2)(211221121t t g t t t t g cd t t gm R R R R R R R R R U R R I ++++−= （5） 由（5）式得 2

1221121211)(2)()(t t g t t t t g gm t t cd t t R R R R R R R R I R R U R R R +++−+−= （6） 上式中的R g 和I gm 由实验室给出。

（4）R 4的确定

给温度计通电进行温度测量前，必须将K 2扳至“校”，目的是校准工作电压U cd ，使其刚好等于设计值。“校”的目的也是为了校准刻度值，使R t =R t2时，I g =I gm ，与（4）式相符。一般作法是将R 4的值固定为R t2，这样，当K 2扳至“校”时，就相当于把感温元件置于温度为t 2℃的温度场中，此时微安表应满偏。如果未能指向满偏，则说明U cd 未能达到设计值，需仔细旋转电位器R 的旋钮，直至微安表满偏。这一步完成后，才能将K 2扳至“测”，进入测量状态。

5制作定标曲线

将电路中各元件按图3安装完后，就可以进行

温度测量了。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？办法之一就是通过定标实验来描绘出一条定

标曲线，如图4所示。有了定标曲线，就可以找到与任一电流值I gi 相对应的温度值t i ，或者根据定标曲线，在刻度盘上直接按温度来标定。这样，指针的偏转既能显示电流值，又能显示温度值。

6测温操作程序

使用该热敏电阻温度计测温，应按下述程序操作：

(1)通电

将感温元件置于被测温度场中，接通电源开关K 1，指示灯亮，微安表指针应有一定偏转。为了防止微安表及热敏电阻过载，通电前应将电位器R 按逆时针方向旋转一个角度，使U cd 较小。

(2)校准

将K 2扳向“校”

，温度计处于“校准”状态，根据微安表指针偏转大小，仔图4 定标曲线