热敏电阻温度特性及热敏电阻温度计的设计.

热敏电阻温度特性及热敏电阻温度计的设计

热敏电阻是对温度变化表现出非常敏感的一种半导体电阻元件，它能测量出温度的微小变化，并且体积小，工作稳定，结构简单。因此，它在测温技术、无线电技术、自动化和遥控等方面都有广泛的应用。

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、而且容易实现自动化控制，是测量技术的一个重要的发展趋势。

【实验目的】

1．研究热敏电阻的温度特性

2．进一步掌握非平衡电桥电路原理及应用

3、了解负温度系数热敏电阻的温度特性

4、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测试和评价

【实验原理】

内容1 热敏电阻的温度特性

1、测量原理

热敏电阻的基本特性是它的温度特性，许多材料的电阻随温度的变化而发生变化，纯金属和许多合金的电阻随温度增加而增加，它们具有正的电阻温度系数。另外像炭、玻璃、硅和锗等材料的电阻随温度的增加而减小，具有负的电阻温度系数。在半导体中原子核对价电子的约束力要比金属中大，因而自由载流子数少，故半导体的电阻率较大而纯金属的电阻率较小。由于半导体中载流子数目是随着温度

的升高而按指数规律急剧增加，载流子越多，导电能力越强，电阻率就越小，因此半导体热敏电阻的阻值随着温度的升高电阻率将按指数

︒规律减少。如温度由-100C 变至+400C ︒时，由铂丝材料制成的电阻，其阻值变化10倍

7左右；而热敏电阻的阻值在上述温度变化相同的情况下变化可达到10倍。

实验表明，在一定温度范围内，半导体材料的电阻率ρ和绝对温度T 的关系可表示为：

ρ=a 0e b

其中a 0、b 为常数，仅与材料的物理性质有关。

由欧姆定律得热敏电阻的阻值：

R T =ρ

上式中令a =a 0L L b =a 0e b /T =ae （1） S S L 、S 、L 分别为热敏电阻的横截面积和电极间的距离。 S

b 对式（1）取对数有：ln R T =ln a + T

或写作Y =A +BX (线性变化关系

式中Y =ln R T , A =ln a , B =b , X =，改变被测样品的温度, 分别测出不同的温度T 以及对应的R T 值，重复7—10次，可用图解法、计算法或最小二乘法求出A 、a 、b 值。

2、测量电路

测量电路如图a 所示，利用惠斯通电桥测定被

测样品在不同温度下的阻值，由电路平衡可知，被测

样品的电阻R T 为：R T =R 1R 3 R 4

在用实验测量热敏电阻R T 时, R T 不能单独构成

一桥臂，应按照图b 所示的电路。适当选取R 22、R 23 和R 21，使得桥路的电阻变化关系在测量范围之内，并使

所在桥臂总电阻的R T 变化很小，且使检流计的偏转与

温度的变化尽量呈线性关系。

3、实验内容：

热敏电阻的温度特性研究，通过电路进行测量求

出a 、b 值。

（1）按图a 实验装置接好电路，安装仪器。

（2）在容器内盛入水，开启直流电源开关，在电热丝

中通以2.5A —3.0A 的电流；对水加热，使水温逐渐上升，温度由水银温度计读出。热敏电阻的两条引出线连接到惠斯通电桥的待测电阻的两接线柱上。

（3）测试的温度从20℃开始，每增加5℃，测量电阻

阻值，直到60℃止。 R T R 21R 2322图

b

热敏电阻温度计的设计

1、测量原理

1.1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其以锰、钴、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：

图1 负温度系数热敏

电阻的温度特性图2 非平衡电桥

R t =Ae B /T （1）

1.2非平衡电桥

非平衡电桥电路如图2所示，当R 1=R2（对称电桥）及R t =R3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：

⎧I 1R 1+I g R g -I 2R 3=0⎪⎪(I 1-I g R -(I 2+I g R t -I g R g =0 ⎨⎪I 2R 3+(I 2+I g Rt =U cd

⎪R =R 2⎩1

解出：

I g =(R 3-R t U cd （2） 2(R g R 3+R 3R t +R t R g +R 1(R 3+R t

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。

1.3 热敏电阻温度计的实验电路

热敏电阻温度计的实验电路如图3 所示，

1.4. 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 Ucd 是桥路的工作电压，一般取1.3V 。

(2 R3值的确定

R 3 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R3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=R2的条件下，图3 热敏电阻温度计的实验电路图 R 3必须等于R t1。

(3 R 1的确定

若温度计的测温上限R t2，微安表应满偏

⎧R t =R t 2即：⎨ (3 ⎩I g =I gm

将（3）式代入（2）式中得：

I gm =

由（4）式得： (R t 1-R t 2 U cd （4） 2(R g R t 1+R t 1R t 2+R t 2R g +R 1(R t 1+R t 2