半導(dǎo)體溫度計(jì)的設(shè)計(jì)和制作

1、06級(jí)數(shù)學(xué)系 pb06001093 蔡園青 4 月 27號(hào)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模阂鬁y(cè)試溫度在20 70 C的范圍內(nèi)，選用合適的熱敏 電阻和非平衡電橋線路來設(shè)計(jì)一臺(tái)半導(dǎo)體溫度計(jì)。實(shí)驗(yàn)儀器： 熱敏電阻、 待焊接的電路板、 微安表、電阻器、烙鐵、 電阻箱、電池、多檔開關(guān)、導(dǎo)線、多用表、恒溫水浴等。實(shí)驗(yàn)原理：半導(dǎo)體溫度計(jì)就是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度急劇變化的 特性而制作的， 以半導(dǎo)體熱敏電阻為傳感器， 通過測(cè)量其電阻值 來確定溫度的儀器。 這種測(cè)量方法為非電量的電測(cè)法， 它可以將 各種非電量，如長(zhǎng)度、位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、光強(qiáng)等轉(zhuǎn)變成 電學(xué)量，如電阻、電壓、電流、電感和電容等，然后用電學(xué)儀器 來進(jìn)行測(cè)量。由于

2、金屬氧化物半導(dǎo)體的電阻值對(duì)溫度的反應(yīng)很靈敏， 因此 可以作為溫敏傳感器。為實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)法， 采用電學(xué)儀器來測(cè)量熱敏電阻的阻 值，還需要了解熱敏電阻的伏安特性。由圖 3.5.3-1 可知，在 V-I 曲線的起始部分，曲線接近線性，這是因?yàn)殡娏餍r(shí)在熱敏 電阻上消耗的功率不足以顯著地改變熱敏電阻的溫度， 因而符合 歐姆定律。此時(shí)，熱敏電阻的阻值主要與外界溫度有關(guān)，電流的 影響可以忽略不計(jì)。半導(dǎo)體溫度計(jì)測(cè)溫電路的原理圖如圖 3.5.3-2 所示（僅供參考），圖中G是微安計(jì)，RT為熱敏電阻，當(dāng)電橋平衡時(shí)，表的指示必為零，此時(shí)應(yīng)滿足條件 邑邑，若取R=R,則R的數(shù)值即R2 RT為Rr的數(shù)值。平衡后，

3、若電橋某一臂的電阻又發(fā)生改變 （如Rt）, 則平衡將受到破壞，微安計(jì)中將有電流流過，若電橋電壓，微安 計(jì)內(nèi)阻RG，電橋各臂電阻 R、民、Rb已定，就可以根據(jù)微安計(jì)的 讀數(shù)I g的大小計(jì)算出Rr的大小來。也就是說，微安計(jì)中的電流 的大小直接反映了熱敏電阻的阻值的大小，因此就可以利用這種“非平衡電橋”的電路原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。由上述可知，可由 E、RG Rg、R確定Ig和Rr的關(guān)系，如何 選定E和Ri、R、R呢？由電橋原理可知：當(dāng)熱敏電阻的阻值在 測(cè)溫量程的下限Rri時(shí)，要求微安計(jì)的讀數(shù)為零（即lG=O），此時(shí) 電橋處于平衡狀態(tài)，滿足平衡條件。若取R=R2,則R=RTi，即R就是熱敏電阻處在測(cè)

4、溫量程的下限溫度時(shí)的電阻值，由此也就決定了 R的電阻值。當(dāng)溫度增加時(shí)，熱敏電阻的電阻值就會(huì)減小，電橋出現(xiàn)不平衡，在微安計(jì)中就有電流流過。 當(dāng)熱敏電阻處在測(cè)溫量程的上限 溫度電阻值Rt2時(shí)，要求微安計(jì)的讀數(shù)為滿刻度。此時(shí)，流入微 安計(jì)中的電流I G與加在電橋兩端的電壓 VcD和 Rl、R?有關(guān)，由于 選取起始狀態(tài)（lG=O時(shí)）是對(duì)稱電橋，即 Rl=R，故l G只與VCD 和RT2有關(guān)。若流入熱敏電阻 Rr中的電流It比流入微安計(jì)內(nèi)的電 流Ig大得多（即It Ig ），則加在電橋兩端上的電壓近似有VcdIt(RbR)根據(jù)所選定的熱敏電阻的最大工作電流（當(dāng)R3=Rt2時(shí)），可由式（1）確定供電電池的

5、個(gè)數(shù)。根據(jù)圖343-2的電橋電路，由基爾霍夫方程組可以求出流入微安計(jì)的電流Ig與VCd Ri、艮、F3、Rr2的關(guān)系：R2RlR2R3 Rt2RgR1 R2R3 RT2R R2R3RT2VCDRT2(2)由于Ri=R R$=Ri，整理后有RlRT2RT1RT22(RgRT1 RT2RT1RT2（3）由式（3）就可以最后確定 R （艮）的數(shù)值。這樣確定的R 和艮是與選擇的VCd相對(duì)應(yīng)，也就是和It相對(duì)應(yīng)的，由式（1）， 它取決于所選擇的It，It小一些，則 Vcd也小一些，相應(yīng)的 R和 R的實(shí)際值也可以比計(jì)算值小一些，但不應(yīng)比計(jì)算值大（為什 么？）。在本實(shí)驗(yàn)中，可以選取 VcD=1V,代入式（3

6、），可得R。一般加在電橋兩端的電壓 Vcd比所選定的電池的電動(dòng)勢(shì)要低些， 為了保證電橋兩端所需的電壓， 通常在電源電路中串聯(lián)一個(gè)可變 電阻器R它的電阻值應(yīng)根據(jù)電橋電路中的總電流來選擇。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用半導(dǎo)體熱敏電阻作為傳感器，設(shè)計(jì)制作一臺(tái)測(cè)溫范圍為2070 C的半導(dǎo)體溫度計(jì)，參考電路見圖3.5.3-31 設(shè)計(jì)要求（1） 在所測(cè)量的溫度范圍內(nèi)，要求作為溫度計(jì)用的微安計(jì)的全部量程均能有效地利用，即當(dāng)溫度為20C時(shí)，微安計(jì)指示為零；而溫度為70 C時(shí)，微安計(jì)指示為滿刻度。（2） 要求長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量（如幾分鐘）時(shí)，微安計(jì)的讀數(shù)應(yīng)穩(wěn)定 不變。2 可提供的儀器和元件 熱敏電阻、待焊接的電路板、微安計(jì)、電阻器、烙鐵

7、、電阻箱、 電池、多擋開關(guān)、導(dǎo)線、多用表、恒溫水浴等。3 參考設(shè)計(jì)方案（1） 在坐標(biāo)紙上繪出熱敏電阻的電阻 - 溫度曲線，確定所設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體溫度計(jì)的下限溫度（20C ）所對(duì)應(yīng)的電阻值 Rri和 上限溫度（70C）所對(duì)應(yīng)的電阻值Fh。再由熱敏電阻的伏 安特性曲線確定最大工作電流lr。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中采用的熱敏電阻的實(shí)際情況，選取VCd=1V,它可以保證熱敏電阻工作在 它的伏安特性曲線的直線部分。（2）令R=FTi,即測(cè)量溫度的下限電阻值，由式（3）計(jì)算出橋 臂電阻R和R的電阻值。式中Rt2為量程上限溫度的電阻值； FG為微安表的內(nèi)阻。3） 熟悉線路原理圖（圖 3.5.3-2 ）和底版配置圖（圖） ，對(duì)

8、照 實(shí)驗(yàn)所用元件、位置及線路的連接方向。（4） 注意正確使用電烙鐵， 學(xué)會(huì)焊接， 防止重焊、 虛焊、 漏焊、 斷路。焊接時(shí)Ki放在1擋，電流計(jì)“ +”端與E處要最后連 接，以免損壞電表。（5） 標(biāo)定溫度計(jì)1 ） R1 和 R2 的調(diào)節(jié)和測(cè)量：開關(guān)置于 1 擋，撥下 E 處接線，斷 開微安計(jì)，用多用表檢查 R和R,使之阻值達(dá)到式（3）的 計(jì)算值（可以取比計(jì)算值略小的整數(shù)） 。2）將電阻箱接入接線柱 A和B,用它代替熱敏電阻，開關(guān)置于3位置，令電阻箱的阻值為測(cè)量下限溫度 （20C）所對(duì)應(yīng)的 吊1,調(diào)節(jié)電位器R3，使電表指示為零（注意，在以后調(diào)節(jié) 過程中，R保持不變）。然后，使電阻箱的阻值為上限溫度

9、（70 C ）所對(duì)應(yīng)的Rh,調(diào)節(jié)電位器R,使微安計(jì)滿量程。3） 開關(guān)置于2擋，調(diào)節(jié)電位器，R4，使微安計(jì)滿量程，這時(shí)， R4= ， RT2 。4）開關(guān)置于 3 擋，從熱敏電阻的電阻 - 溫度特性曲線上讀出溫 度20C70C，每隔C讀一個(gè)電阻值。電阻箱逐次選擇前 面所取的電阻值，讀出微安計(jì)的電流讀數(shù) I 。將圖 3.5.3-5 的表盤刻度改成溫度的刻度。另外，作出對(duì)應(yīng)的 I-T 曲線 并與表盤刻度比較。6） 用實(shí)際熱敏電阻代替電阻箱，整個(gè)部分就是經(jīng)過定標(biāo)的半導(dǎo)體溫度計(jì)。用此溫度計(jì)測(cè)量?jī)蓚€(gè)恒溫狀態(tài)的溫度(如 35C、55C)。讀出半導(dǎo)體溫度計(jì)和恒溫水浴自身的溫度， 比較其結(jié)果。4. 注意事項(xiàng)(1)

10、 所要定標(biāo)的溫度點(diǎn)，應(yīng)從熱敏電阻的電阻 -溫度曲線上讀 取。(2) 校準(zhǔn)溫度時(shí)，必須找到設(shè)計(jì)時(shí)使用的那個(gè)熱敏電阻，實(shí)際 完畢后，請(qǐng)焊下所有元件，儀器歸位。數(shù)據(jù)分析：1在坐標(biāo)紙上繪出熱敏電阻的電阻-溫度曲線如圖: B3500PRc 3000 -ExpDec1 fit of Data1 B2500 -20001500 10000-r10 20304050607080t/C確定所設(shè)計(jì)的溫度計(jì)的下限溫度和上限溫度所對(duì)應(yīng)的電阻值，選取VCD =1V,2 令R3 Rti，由公式IgRgRlR2R3Rt2和3 Ri R2R3 Rt2RiR2R3Rt21Rt 2(2 RT) 2(RgRt1 Rt2Rt1Rt2）計(jì)算出橋臂電阻RiR24853,3標(biāo)定溫度計(jì)所得數(shù)據(jù)如下表:根據(jù)上表繪得 I-T溫度2025電阻值電流2597 0236021351988線為：3035404550556065701826166015121390128111731077994918843776717662613568526488A 5010 -203040506070t/cI-t圖測(cè)量?jī)蓚€(gè)已知溫度59 C得電流指向44.0mA和38.8 C得電流表指相對(duì)誤差：144.時(shí) ，tt |59.55(9c59C| 8%向24.0mA，比較結(jié)果知道44.0mA時(shí)溫度大約59.5 C ,