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1、-第 1 页半导体温度计的设半导体温度计的设计与制作计与制作-第 2 页实验题目：实验题目：半导体温度计的设计与制作半导体温度计的设计与制作实验目的实验目的：测试温度在测试温度在 20702070 的范围内的范围内，选用合适的热敏电阻和非平衡电桥线路选用合适的热敏电阻和非平衡电桥线路（或选用你认为更好或选用你认为更好的测温电路）来设计一半导体温度计。的测温电路）来设计一半导体温度计。实验原理实验原理：（1 1）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）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
2、确定温度的仪器。这种测量方法为非电量的电测法。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。（2 2）由于金属氧化物半导体的电阻值对温度的反应很灵敏由于金属氧化物半导体的电阻值对温度的反应很灵敏（参见实验参见实验 3.5.23.5.2），因此可以作为因此可以作为温传感器。温传感器。为实现非电量的电测法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。由图还需要了解热敏电阻的伏安特性。由图 1 1 可知，在可知，在 V-IV-I 曲线的曲线的起始部分，曲线接近线性，此时，热敏电阻的阻值主要与外界起
3、始部分，曲线接近线性，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。温度有关，电流的影响可以忽略不计。（3 3）半导体温度计测温电路的原理图如图半导体温度计测温电路的原理图如图 2 2 所示所示，当电桥平衡时当电桥平衡时，表的指示必为零，此时应满足条件表的指示必为零，此时应满足条件TRRRR321，若取，若取 R R1 1=R=R2 2，则，则 R R3 3的数值即为的数值即为 R RT T的数值的数值。平衡后平衡后，若电桥某一臂的电阻又发生改变若电桥某一臂的电阻又发生改变（如（如 R RT T），则平衡将受到破坏，微安计中将有电流流过，微安计，则平衡将受到破坏，微安计中将有
4、电流流过，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。中的电流的大小直接反映了热敏电阻的阻值的大小。（4 4）当热敏电阻的阻值在测温量程的下限）当热敏电阻的阻值在测温量程的下限 R RT1T1时，要求微安计的时，要求微安计的读数为零（即读数为零（即 I IG G=0=0），此时电桥处于平衡状态，满足平衡条件，此时电桥处于平衡状态，满足平衡条件。若取若取 R R1 1=R=R2 2，则则 R R3 3=R=RT1T1，即即 R R3 3就是热敏电阻处在测温量程的下限温就是热敏电阻处在测温量程的下限温度时的电阻值，由此也就决定了度时的电阻值，由此也就决定了 R R3 3的电阻值。的电阻值。
5、（5 5）当温度增加时当温度增加时，热敏电阻的电阻值就会减小热敏电阻的电阻值就会减小，电桥出现不平衡电桥出现不平衡，在微安计中就有电流流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过。当热敏电阻处在测温量程的上限温度电阻值 R RT2T2时，要求微安计的读数为满刻度。由于时，要求微安计的读数为满刻度。由于GTII，则加在电桥两端上的电压则加在电桥两端上的电压 V VCDCD近似有近似有：)(3RRIVTCD（1 1）根据图根据图 2 2 的电桥电路，由基尔霍夫方程组可以求出的电桥电路，由基尔霍夫方程组可以求出CDTTGTTGVRRRRRRRRRRRRRRRI232321212
6、32212（2 2）由于由于 R R1 1=R=R2 2、R R3 3=R=RT1T1，整理后有整理后有)(2)21(221212121TTTTGTTTGCDRRRRRRRRIVR（3 3）-第 3 页（6 6）一般加在电桥两端的电压）一般加在电桥两端的电压 V VCDCD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电压，通常在电源电路中串联一个可变电阻器 R R，它的电阻值应根据电桥电路中的总电流来选，它的电阻值应根据电桥电路中的总电流来选择。择。实验内容：实验内容：（1 1）在坐标纸上绘出热
7、敏电阻的电阻在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻-温度曲线温度曲线，确定所设计的半导体温度计的下限温度确定所设计的半导体温度计的下限温度（2020）所对应的电阻值）所对应的电阻值 R RT1T1和上限温度（和上限温度（7070）所对应的电阻值）所对应的电阻值 R RT2T2。再由热敏电阻的伏安。再由热敏电阻的伏安特性曲线确定最大工作电流特性曲线确定最大工作电流 I IT T。根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取。根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取 V VCDCD=1V=1V，它可以保证热敏电阻工作在它的伏安特性曲线的直线部分。它可以保证热敏电阻工作在它的伏安特性曲线的直线部分。（2 2）令令
8、 R R3 3=R=RT1T1，即测量温度的下限电阻值即测量温度的下限电阻值，由式由式（3 3）计算出桥臂电阻计算出桥臂电阻 R R1 1和和 R R2 2的电阻值的电阻值。式式中中R RT2T2为量程上限温度的电阻值；为量程上限温度的电阻值；R RG G为微安表的内阻。为微安表的内阻。（3 3）熟悉线路原理图（图熟悉线路原理图（图 2 2）和底版配置图（图）和底版配置图（图 3 3），对照实验所用元件、位置及线路的连接，对照实验所用元件、位置及线路的连接方向。方向。（4 4）注意正确使用电烙铁，学会焊接，防止重焊、虚焊、漏焊、断路。焊接时注意正确使用电烙铁，学会焊接，防止重焊、虚焊、漏焊、断
9、路。焊接时 K K1 1放在放在 1 1 挡挡，电流计电流计“+”端与端与 E E 处要最后连接，以免损坏电表。处要最后连接，以免损坏电表。（5 5）标定温度计标定温度计1 1）R R1 1和和 R R2 2的调节和测量：开关置于的调节和测量：开关置于 1 1 挡，拨下挡，拨下 E E 处接线，断处接线，断开微安计开微安计，用多用表检查用多用表检查 R R1 1和和 R R2 2，使之阻值达到式使之阻值达到式（3 3）的的计算值（计算值（可以取比计算值略小的整数？可以取比计算值略小的整数？）。2 2）将电阻箱接入接线柱将电阻箱接入接线柱 A A 和和 B B，用它代替热敏电阻，开关置，用它代替
10、热敏电阻，开关置于于 3 3 位置，令电阻箱的阻值为测量下限温度（位置，令电阻箱的阻值为测量下限温度（2020）所对）所对应的应的 R RT1T1，调节电位器调节电位器 R R3 3，使电表指示为零使电表指示为零（注意注意，在以后在以后调节过程中调节过程中，R R3 3保持不变保持不变）。然后然后，使电阻箱的阻值为上限使电阻箱的阻值为上限温度（温度（7070）所对应的）所对应的 R RT2T2，调节电位器，调节电位器 R R，使微安计满量，使微安计满量程。程。3 3）开关置于开关置于 2 2 挡挡，调节电位器调节电位器，R R4 4，使微安计满量程使微安计满量程，这时这时，R R4 4=R=R
11、T2T2。（其目的？）（其目的？）4 4）开关置于开关置于 3 3 挡，从热敏电阻的电阻挡，从热敏电阻的电阻-温度特性曲线上温度特性曲线上读出温度读出温度 20207070，每隔每隔 5 5读一个电阻值读一个电阻值。电阻电阻箱逐次选择前面所取的电阻值箱逐次选择前面所取的电阻值，读出微安计的电流读读出微安计的电流读数数 I I。将图将图 4 4 的表盘刻度改成温度的刻度的表盘刻度改成温度的刻度。另外另外，作作出对应的出对应的 I-TI-T 曲线曲线并与表盘刻度比较。并与表盘刻度比较。（6 6）用实际热敏电阻代替电阻箱用实际热敏电阻代替电阻箱，整个部分就是经过定标的半导体温度计整个部分就是经过定标
12、的半导体温度计。用此温度计测量两用此温度计测量两个恒温状态的温度（如个恒温状态的温度（如 3535、5555）。读出半导体温度计和恒温水浴自身的温度，比较其。读出半导体温度计和恒温水浴自身的温度，比较其结果。结果。实验器材：实验器材：热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、电烙铁、电阻箱、电池、导线、万用表、恒热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、电烙铁、电阻箱、电池、导线、万用表、恒温水浴温水浴实验桌号：实验桌号：9 9 号号实验数据与数据处理：实验数据与数据处理：表表 1 1九号台的九号台的 R-TR-T 关系关系图图 5 5 R-TR-T 曲线曲线表表 2 2T-R-IT-R-I
13、三者之间的关系三者之间的关系实际测量恒温水浴的情况为：实际测量恒温水浴的情况为：-第 4 页35.335.3下，电流为下，电流为 18.218.2A A；54.954.9下，电流为下，电流为 36.036.0A A；室温为；室温为 14.214.2A A；体温为；体温为 20.220.2A A数据处理：数据处理：将将 T-IT-I 的关系作成曲线如下的关系作成曲线如下图图 6 6 T TI I 曲线曲线根据上图可以读出根据上图可以读出，在在 35.335.3时时，对应的电流大约是对应的电流大约是 18.218.2A A；在在 54.954.9时时，对应的电流大约是对应的电流大约是 36.436
14、.4A A，这两个数据和实际测量所得到的值吻合得比较好，可以认为实验中的温度标定是成功的。，这两个数据和实际测量所得到的值吻合得比较好，可以认为实验中的温度标定是成功的。所测定的室温是所测定的室温是 31.231.2，手掌温度为，手掌温度为 37.537.5。给出设计制作温度计的相对误差？给出设计制作温度计的相对误差？根据实际情况根据实际情况，所测的手掌温度偏高所测的手掌温度偏高，原因可能是标定微安表时原因可能是标定微安表时，因为是估读因为是估读，37.537.5所对应的读数所对应的读数偏低，而测手掌温度时读数偏大，导致了一定的偏差。还有可能和实验当天本人的手掌比较烫有关。偏低，而测手掌温度时
15、读数偏大，导致了一定的偏差。还有可能和实验当天本人的手掌比较烫有关。实验中误差的来源主要是电桥中对实验中误差的来源主要是电桥中对 R R1 1和和 R R2 2电阻标定电阻标定，和对微安表的读数和对微安表的读数，而且实验所给的而且实验所给的 R R，T T 关系关系中存在一定误差。用万用表测中存在一定误差。用万用表测 35.335.3水中的热敏电阻的阻值比所给的阻值大。最大的误差来源于对热敏水中的热敏电阻的阻值比所给的阻值大。最大的误差来源于对热敏电阻实际的温度电阻实际的温度-电阻关系的测定。电阻关系的测定。思考题：思考题：为什么在测为什么在测 R R1 1和和 R R2 2时，需将开关置于时，需将开关置于 1 1 档，拔下档，拔下 E E 处接线，断开微安表？处接线，断开微安表？答答：这样做的目的是使两个电阻从电路中断开这样做的目的是使两个电阻从电路中断开，从而能够准确得到两个电阻的阻值从而能够准确得到两个电阻的阻值，如果没有这如果没有这样做，那么测量时会并联上别的电阻或测的是别的电阻阻值。样做，那么测量时会并联上别的电阻或测的是别的电阻阻值。