半导体温度计的设计和制作实验

半导体温度计的设计和制作实验（非平衡电桥）

在温度不太低或不太高（如从－20o C到几百度）的情况下，通常可以用水银温度计来测一定的温度。由于生产和科学实验的发展，需要精密和快速的温度测量，因而就需要灵敏度较高的温度计。现在已有各种用途的温度计，半导体温度计就是其中的一种。

本实验的半导体温度计利用热敏电阻为传感器，利用非平衡电桥实现由电学量测量一些变化的非电量，这种思想现在应用范围扩展到很多领域，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。

一、实验目的

1．理解非平衡电桥的工作原理及其在非电量的电测法中的应用。

2．了解半导体温度计的基本原理并设计制作一台半导体温度计

二、实验原理

1．热敏电阻伏安特性曲线

为测量热敏电阻的阻值，需了解热敏电阻的伏安特性。由图1可知，在V-I 曲线的起始部分，因电流很太小，温度变化微小，曲线接近线性。此时其阻值主要与外界温度有关。

图1 热敏电阻伏安特性曲线

半导体温度计是利用热敏电阻的阻值随温度变化急剧的特性制作的，通过测量热敏电阻的阻值来确定温度的仪器。应根据待测温度区间和热敏电阻的阻值选用合适电学元件和测温电路。 2．半导体温度计测温电路的原理

非平衡电桥的工作原理图如下：

图2 半导体温度计测温电路原理图

图中G 是微安表， 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：

T

R R R R 3

21= （1） 若取R 1 = R 2，则R 3的数值即为R T 的数值。平衡后的电桥若其中某一臂的电阻又发生改变，则平衡将受到破坏，微安表中将有电流流过，此为非平衡电桥。

由基尔霍夫方程组求出

CD T T G T T G V R R R R R R R R R R R R R R R I 2

323212

12

32

212++

+++-

+= （2）

由此可见微安表中的电流大小直接反映了热敏电阻的阻值的大小程度。由于热敏

电阻的大小与环境温度是一一对应关系，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。

3．半导体温度计的设计与制作

热敏电阻的阻值在测温量程的下限R

T1

时，要求电桥处于平衡状态，由电桥

原理，微安计的读数I

G =0 ，此时满足平衡条件。取R

1

=R

2

，则R

3

=R

T1

，即R

3

就是

热敏电阻在量程下限时的电阻值，由此也就决定了R

3

的电阻值。

温度增加时，热敏电阻阻值减小，平衡受破坏，微安计中流过电流。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 只与V

CD

和R

T2

有关。为了让热敏电阻工作在线性区，一般

V cd 的值不会超过图1中的V

max

。

令R

1

=R

2

、R

3

=R

T1

得

)

(2

)

2

1

(

2

2

1

2

1

2

1

2

1

T

T

T

T

G

T

T

T

G

CD

R

R

R

R

R

R

R

R

I

V

R

+

+

-

+

-

=（3）

其中，微安表内阻R G用替代法测量，其电路图如图3所示。

图3 测量表头内阻电路

首先按图接好线，保护好电表，将开关K接向a端。接通电源，调节滑线变阻器R1的滑动头D，使G满量程（或某适当值），记下G0的读数。切断电源E，将开关K接向b端，接通电源，再调R的值，使G0保持原值不变，这时电阻箱R上的指示读数即为表头内阻R G。

至此，电桥各臂电阻R 1，R 2，R 3已设定，然后焊接电路，将热敏电阻接入即完成一个半导体温度计的设计与制作。

三、实验器材

热敏电阻、电阻器、电阻箱、微安计、多用电表、电池、多挡开关、导线、电路板（待焊接）、烙铁、恒温水浴等。

四、实验内容及步骤

1．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30~70°C 的半导体温度计；要求微安计的全部量程均能有效利用，即30°C 时，微安计指示为零，70°C 时，指示为满刻度。 2． 实验步骤

（1）确定各元件参数。查看电阻值---温度数据，确定半导体温度计下限温度（30°C ）所对应的电阻值R T1和上限温度（70°C ）所对应的电阻值R T2，取R 1=R 2 得R 3=R T1；根据实验中采用热敏电阻的实际情况，本实验中取V CD =1V ，可以保证热敏电阻工作在伏安特性曲线的直线部分。令R 1=R 2，R 3=R T1，由

⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=

212121212212T T T T G T T T G

CD

R R R R R R R R I V R

计算出R 1和R 2的阻值，式中R T2为上限温度电阻值，R G 为微安表内阻。 （2）焊接电路。 根据电路图和实物图草稿，正确焊接实物电路板。使用电烙铁注意事项：（a ）当工作时不需要使用时，应将其置于专用支架上，避免烧伤、烫伤。避免烫坏导线或其他物件，并将电烙铁的放置地点应远离易燃品。（b ）烙铁头使用完成后，上面多余的焊锡尽可能不要乱甩，特别是往身后甩时危险更大。(c) 在工作完成后，烙铁头在没有确信脱离电源时，不能用手摸。(d) 拆焊有弹性的元器件时，不要离焊点太近，并使可能弹出焊锡的方向向外。

（3）温度计定标。令R t =R T1，调节R 3 使微安表指零。（注意：以后R 3不能变