半导体温度计设计

开放性实验实验报告

浙江农林大学天目学院

学生姓名：褚伟梁

专业班级：信管101

学号：201008330117

指导老师：邹红玉

半导体温度计的设计与制作

摘要：本文讨论了通过测量半导体热敏电阻的实验，测得实验数据用Origin 软件分析相关数据画出I-T 图像，了解热敏电阻的电阻——温度特性及测温原理，学习惠斯通电桥的原理及使用方法，学习坐标变换、曲线改直的技巧的问题，同时完成半导体温度计的设计。

关键词：热敏电阻 惠斯通电桥

温度电流

前言

热敏电阻是由对温度非常敏感的半导体陶瓷质工作体构成的元件。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。热敏电阻作为温度传感器具有用料省、成本低、体积小等的优点，它可以简便灵敏地测量微小温度的变化，在很多科学研究领域都有广泛的应用。本实验的目的是：了解热敏电阻的电阻----温度特性及测温原理，学习惠斯通电桥的原理及使用方法，学习坐标变换、曲线改直的技巧。

虽然热敏电阻对温度非常灵敏，但通常每个元件可适用的范围都不太宽，所以应根据所要测量的温度的上、下限和温度范围的高低选用具有合适阻值和B 值的元件以及相应的测温电路。元件的B 值越高，其电阻温度系数越大，可测量的范围越窄。表1给出了不同热敏电阻的适用范围和对应的B 值。

表1 不同热敏电阻的适用范围和对应的B 值 适用的温度范围 对应的B 值 T=23~173K B=200~1000K T=173~573K B=1500~6000K T=573~973K B=8000~10000K T>973K

B>10000K

由上表可知，测量低温采用B 小的元件，测量高温采用B 大的元件。通常选用电阻值Ω=6210~10R ，因为电阻值太小灵敏度低，电阻值太大则会引起电

绝缘和测量线路匹配困难。在各种热敏电阻的测温电路中，以分压电路和桥式电路的应用最广。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（或选用你认为更好的测温电路）来设计一半导体温度计。

一、 实验原理

半导体温度计就是利用半导体的电阻值随温度急剧变化的特性而制作的，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。

由于金属氧化物半导体的电阻值对温度的反应很灵敏（参见实验 3.5.2），因此可以作为温敏传感器。

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3.5.3-1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。

半导体温度计测温电路的原理图如图3.5.3-2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

T

R R R R 3

21

，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

1G

、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，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），

则加在电桥两端上的电压V

CD

近似有

（1）

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（1）确定供

电电池的个数。根据图3.4.3-2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：

（2）

由于R

1=R

2

、R

3

=R

T1

，整理后有

（3）

由式（3）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（1），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（3），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