半導(dǎo)體溫度計的設(shè)計與制作

1、實(shí)驗題目：半導(dǎo)體溫度計的設(shè)計與制作實(shí)驗?zāi)康模簻y試溫度在2070 C的范圍內(nèi)，選用合適的熱敏電阻和非平衡電橋線路（或選用你認(rèn)為更好的測溫電路）來設(shè)計一半導(dǎo)體溫度計。進(jìn)一步理解熱敏電阻的伏安特性和惠斯通電橋測電阻的原理，學(xué)習(xí)非電學(xué)量的電測法，了解實(shí)驗中的替代原理的應(yīng)用。實(shí)驗原理：（1）半導(dǎo)體溫度計就是利用半導(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，通過測量其電阻值來確定溫度的儀器。這種測量方法為非電量的電測法。（2）由于金屬氧化物半導(dǎo)體的電阻值對溫度的反應(yīng)很靈敏（參見實(shí)驗3.5.2），因此可以作為溫傳感器。為實(shí)現(xiàn)非電量的電測法，采用電學(xué)儀器來測量熱敏電阻的阻值，還需要了解

2、熱敏電阻的伏安特性。由圖1可知，在V-I曲線的起始部分，曲線接近線性，此時，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。m 1嬉觀電粗狀妥特性帕釀（3）半導(dǎo)體溫度計測溫電路的原理圖如圖2所示，當(dāng)電橋平衡時，一RiR3表的指示必為零，此時應(yīng)滿足條件，若取RI=R2，則R3R2Rt的數(shù)值即為Rt的數(shù)值。平衡后，若電橋某一臂的電阻又發(fā)生改變（如FT）,則平衡將受到破壞，微安計中將有電流流過，微安計中的電流的大小直接反映了熱敏電阻的阻值的大小。（4）當(dāng)熱敏電阻的阻值在測溫量程的下限Rti時，要求微安計的讀數(shù)為零（即|G=O ），此時電橋處于平衡狀態(tài)，滿足平衡條件。若取R1=F2,則R3

3、=Rri，g卩F3就是熱敏電阻處在測溫量程的下限 溫度時的電阻值，由此也就決定了R?的電阻值。（5）當(dāng)溫度增加時，熱敏電阻的電阻值就會減小，電橋出現(xiàn)不平衡，在微安計中就有電流流過。當(dāng)熱敏電阻處在測溫量程的上限溫度電阻值Rt2時，要求微安計的讀數(shù)為滿刻度。由于(1)It Ig，則加在電橋兩端上的電壓Vcd近似有：Vcd It（R3 R）根據(jù)圖2的電橋電路，由基爾霍夫方程組可以求出R1R2R3RT 2RgR-i R2R1R2R3RT2R3Rt2VCD由于R=Ra、R3=Rri,整理后有R12Vcd 1RT2Rti訂 2（RgRti Rt2 )RtiRt2(3)（6） 般加在電橋兩端的電壓VCd比所

4、選定的電池的電動勢要低些，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實(shí)驗內(nèi)容擇。國 4（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)計的半導(dǎo)體溫度計的下限溫度（20C）所對應(yīng)的電阻值 Rri和上限溫度（70C）所對應(yīng)的電阻值 氏2。再由熱敏電阻的伏安特性曲線確定最大工作電流It。根據(jù)實(shí)驗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R3=Rn,即測量溫度的下限電阻值，由式（3）計算出橋臂電阻 R和艮的電阻值。式中Rt2為量程上限溫度的電阻值；FG為微安表的內(nèi)阻。

5、（3） 熟悉線路原理圖（圖 2）和底版配置圖（圖 3），對照實(shí)驗所用元件、位置及線路的連接 方向。（4） 注意正確使用電烙鐵，學(xué)會焊接，防止重焊、虛焊、漏焊、斷路。焊接時K放在1擋, 電流計“ +”端與E處要最后連接，以免損壞電表。（5）標(biāo)定溫度計1） R1和F2的調(diào)節(jié)和測量：開關(guān)置于1擋，撥下E處接線，斷開微安計，用多用表檢查 R和艮，使之阻值達(dá)到式（3）的 計算值（可以取比計算值略小的整數(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量下限溫度（20C）所對 應(yīng)的Rn,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，F(xiàn)3保持不變）。

6、然后，使電阻箱的阻值為上限 溫度（70 C）所對應(yīng)的 Rt2,調(diào)節(jié)電位器 R,使微安計滿量 程。R4,使微安計滿量程，這時，開關(guān)置于2擋，調(diào)節(jié)電位器,F4=FT2。（其目的何在？）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20C70 C,每隔5 C讀一個電阻值。 電阻 箱逐次選擇前面所取的電阻值，讀出微安計的電流讀數(shù)I。將圖4的表盤刻度改成溫度的刻度。另外，作 出對應(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，整個部分就是經(jīng)過定標(biāo)的半導(dǎo)體溫度計。用此溫度計測量兩個恒溫狀態(tài)的溫度（如35C、55C）。讀出半導(dǎo)體溫度計和恒溫水浴自身的溫度，比較其結(jié)果。實(shí)驗數(shù)據(jù)與

7、數(shù)據(jù)處理：（RiR22Vcd ( 1TT(2Rt2RT1RT2)2(RgRt1 Rt2RT1RT2實(shí)驗器材：熱敏電阻、待焊接的電路板、微安表、電阻器、電烙鐵、電阻箱、電池、導(dǎo)線、萬用表、恒 溫水浴圖5給定熱敏電阻的的R-T曲線表1給定熱敏電阻的的r-t關(guān)系T/C15202530354045R/ Q3154258421511828151612881051T/C505560657075R/ Q927785671577498434&=4141Q Ig=50 卩 AU cd=1V計算得R 1=R>=4420Q表2 T-R-I三者之間的關(guān)系T/Cr/ qI/ 口2025840.025215

8、46.230182812.235151618.640128824.045108430.05092734.55578539.86067144.06557747.17049850.0數(shù)據(jù)處理：根據(jù)表2制作溫度表盤如下:圖6溫度表盤實(shí)際測量恒溫水浴的情況為：（相對誤差=|T箱T表|）T箱T （水箱）/C1/ AT（表盤）/ C相對誤差55.8 40.055.50.54%32.8 16.933.00.61%表3恒溫水浴箱溫度與制作的表盤讀取溫度比較將T-I的關(guān)系作曲線如下T/C圖7 T-I曲線根據(jù)表3與圖7可知，在55.8 C時，對應(yīng)的表盤讀取溫度大約是55.5 C ,相對誤差0.54%;在32.8

9、C時，對應(yīng)的表盤讀取溫度大約是33.0 C,相對誤差0.61%。這兩個數(shù)據(jù)和實(shí)際測量所得到的值吻合得比較好，可以認(rèn)為實(shí)驗中的溫度表盤標(biāo)定是成功的。實(shí)驗中誤差的來源主要是電橋中對R和R2電阻標(biāo)定，和對微安表的讀數(shù)，而且實(shí)驗所給的R，T關(guān)系中存在一定誤差。最大的誤差來源于對熱敏電阻實(shí)際的溫度-電阻關(guān)系的測定。實(shí)驗小結(jié)：本實(shí)驗操作中的難點(diǎn)來源于對電路的焊接。我由于沒有仔細(xì)查看課本的電路圖，導(dǎo)致第一次調(diào)試時微安表沒有反應(yīng)，調(diào)試過程耗費(fèi)了不少時間，最后終于發(fā)現(xiàn)少焊了一條導(dǎo)線，將其焊上后實(shí)驗基本順利。我 在焊接過程中十分仔細(xì)地避免了虛焊等問題，這是本實(shí)驗成功的一個因素。思考題：1. 為什么Ri和R的實(shí)際值比計算值小一些而不應(yīng)比計算值大 ？答：因為電路中的連接Ri和R的導(dǎo)線也有電阻，如果R和R的實(shí)際值比計算值大，再加上其鄰 接的導(dǎo)線電阻，只會比計算值越來越大，從而導(dǎo)致更大的誤差。2. 在焊接導(dǎo)線時使用松香或焊錫油脂，這有什么用？答：松香或焊錫油脂作為助焊劑，使導(dǎo)線焊得更牢，避免虛焊。3. 為什么調(diào)節(jié)R可使電表滿刻度？答：調(diào)節(jié)R可使總電阻改變，從而改變干路電流，使電表滿刻度。4. 調(diào)節(jié)電位器R使微安表滿量程，目的何在？答：根據(jù)實(shí)驗原理，微安表滿量程時，此時半導(dǎo)體溫度計到達(dá)其測量溫