半导体温度计设计

重庆大学物理学院

探究性物理实验研究报告

项目名称半导体温度计的设计

项目组长

项目组成员

年级专业班2014 年级理科试验班专业01 班

指导教师

2015 年06 月15 日

项目组成绩表

§1项目概述

§1.1项目任务书

1、利用Pt100铂电阻温度传感器与电桥装置，设计、组合一个测量范围0-100℃的温度计，写出实验原理并进行实验。

2、查阅2篇以上相关论文，并对论文进行综述，论文要附加到研究报告后面。

3、以实验装置测温传感器为准，对你的温度计进行实验测量。仔细进行实验，找出你的温度计在0-100℃范围内最大的误差，分析误差原因，提出减小误差的方法。详细写入报告中。

4、完成答辩用的PPT，每小组1个PPT，每位同学要分别介绍自己的研究工作，完成自己工作部分的报告的撰写，并组成完整的研究报告。

§1.2项目小组成员分工

组长——丁文浩：实验数据处理与实验误差分析及温度计校正；

组员——闫凯：了解实验仪器及实验原理，初步设计实验。

§2实验设计原理综述

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，环境的温度具有与环境温度同等重要意义。因此对温度的研究就显得尤为的重要。

铂热敏电阻Pt100是一种阻值随温度改变发生显著变化的敏感元件。在工作温度范围内，阻值随温度升高而增加的称为正温度系数热敏电阻，反之称为负温度系数热敏电阻，“Pt100”是正温度系数电阻。热敏电阻具有体积小、反应快、使用方便的优点，通过热敏电阻，可以把温度及其变化转换成电学量或电学量的变化加以测量。所以，它被广泛应用于工、农、医、交通、军事、科研等各个领域的温度测量和控制工作中。

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“用非平衡电桥设计组装铂电阻数字温度计”是一个比较典型的非平衡电桥应用实例。它是市场上各类数字温度计的雏形，具有一定实用价值，用铂电阻作感温元件可达到精密而稳定的测温效果。

§3实验方案

§3.1实验目的

1、巩固平衡电桥测量电阻的方法。

2、学习和掌握测量热敏电阻温度特性的基本原理和操作方法。

3、用热敏电阻结合非平衡电桥设计制作数字温度计。

§3.2实验设计内容

用线性电阻（金属电阻）结合非平衡电桥设计测量范围为0~100℃的数字温度计。

§3.3实验原理

非平衡电桥的原理图见图3.3-1所示。非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似，但测量方法上有很大差别。平衡电桥要求通过调节达到00I =，从而得到

3

12

x R R R R =，非平衡电桥则使1R 、2R 、3R 保持不变，由x R 变化引起0U 变化。再根据0U 与x R 的函数关系，通过检测0U 的变化从而测得x R ，由于可以检测连续变化的0U ，所以可以检测连续变化的x R ，进而检测连续变化的非电量。

U o +

_

oc

图 3.3-1 非平衡电桥及其等效电路

§3.3.1非平衡电桥的输出

非平衡电桥的输出有两种情况：一种是输出端开路或负载电阻很大近似于开路，如后接高内阻数

字电压表或高输入阻抗运放等情况，这时称为电压输出，实际使用中大多采用这种方式；另一种是输出端接有一定阻值的负载电阻，这时称为功率输出，简称功率电桥。

根据戴维南定理，图3.3.1-1 (a)所示的桥路可等效为图3.3.1-1（b ）所示的二端口网络。

E

图3.3.1-1（a ） 图3.3.1-1（b ）

其中oc U 为输出端开路的输出电压，i R 为输出阻抗，等效电路见图3.3.1-1 (a)、（b ）

31

23x oc x R R U E R R R R ⎛⎫

=- ⎪++⎝⎭

123123

x i x R R R R

R R R R R =

+++

3123x

L o i L x R R R U E R R R R R R ⎛⎫=

- ⎪+++⎝⎭

电压输出的情况下L R →∞，有

3123x o x R R U E R R R R ⎛⎫=- ⎪++⎝⎭

令0x x R R R =+∆，x R 为被测电阻，0x R 为其初始值，R ∆为电阻变化量。并且初始值满足电桥平衡条件

03

1

2

x R R R R =

代入以上两式，可得

02

123()()

L o i L x R R R U E R R R R R R R ∆⋅=

⋅+++∆+

00

1211()1o x x R E

U R R

R R R R =

⋅⋅∆∆+++ （1）

这是作为一般形式非平衡电桥的输出电压与被测电阻之间的函数关系。 当被测电阻的1R

R ∆时，上式可简化为

01

2

1()o x R U E R R R ≈⋅⋅∆+ （2）

这时0U 与△R 成线性关系。 如果

03

1

2

x R R n R R =

= 可得

2

(1)o x nE R

U n R ∆=

⋅+ （3） 如果

03

1

2

1x R R R R == 0

4o x E R

U R ∆=

⋅ （4） §3.3.2用平衡电桥测量电阻的方法

如图3.3.2-1所示，将被测电阻x R 接入平衡电桥，调节可变电阻'R 使电桥平衡'

21x R R R R =，故由

电桥平衡条件可得'

21

x R R R R =，在本实验中，x R 是Pt100“热敏电阻”t R ，由于t R 随温度的变化而

变化，所以需要不断调节'R 使电桥达到平衡，隔一定温度调节'R 一次使电桥达到平衡，记录'R 的值，从而计算出t R 的值，得到t R 随温度t 变化的曲线。