實驗3半導(dǎo)體溫度計的設(shè)計

1、實驗7.3半導(dǎo)體溫度計的設(shè)計溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)，溫度與科研，生產(chǎn)，人 們的生活，植物生長有密切的關(guān)系，因此對溫度的研究就顯得尤為重要。半導(dǎo)體溫度計是以半導(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，它可以將各種非電量，如長度、位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、光強等轉(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)行測量。直流電橋是一種精密的電學(xué)測量儀器，可分為平衡電橋和非平衡電橋兩類。平衡電橋是通過調(diào) 節(jié)電橋平衡，將待測電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較得到待測電阻的大小，如惠斯登電橋、開爾文電橋等 都是平衡式直

2、流電橋。由于需要調(diào)節(jié)平衡，因此平衡電橋只能用于測量具有相對穩(wěn)定狀態(tài)的物理量。 隨著測量技術(shù)的發(fā)展，電橋的應(yīng)用不再局限于平衡電橋的范圍，非平衡電橋在非電量的測量中已得 到廣泛應(yīng)用。實際工程和科學(xué)實驗中，待測量往往是連續(xù)變化的，只要能把待測量同電阻值的變化 聯(lián)系起來，便可采用非平衡電橋來測量。將各種電阻型傳感器接入電橋回路，橋路的非平衡電壓就 能反映出橋臂電阻的微小變化，因此，通過測量非平衡電橋的輸出電壓就可以檢測出待測量的變化， 如溫度、壓力、濕度等。本實驗要求測試溫度在2070C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)計一個 導(dǎo)體溫度計。這是一個比較典型的非平衡電橋應(yīng)用實例，也是市場上

3、各類半導(dǎo)體溫度計的雛形，具 有一定實用價值。【實驗?zāi)康摹苛私夥瞧胶怆姌虻墓ぷ髟砑捌湓诜请娏侩姕y法中的應(yīng)用。理解以熱敏電阻為檢測元件的溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu)及電路參數(shù)的選擇原則。根據(jù)熱敏電阻的伏安特性和電阻-溫度特性，依據(jù)設(shè)計要求，掌握半導(dǎo)體溫度計的設(shè)計方案以 及溫度計的定標(biāo)。【實驗儀器】計算機(jī)仿真軟件【實驗原理】熱敏電阻熱敏電阻是一種阻值隨溫度改變發(fā)生顯著變化的敏感元件。與一般常用的金屬電阻相比，它有 大得多的電阻溫度系數(shù)值。根據(jù)所具有電阻溫度系數(shù)的不同，熱敏電阻可分三類：1 .正電阻溫度系 數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度升高而增加；2.臨界電阻溫度系數(shù)熱敏電阻：某一特定溫度下電阻只會發(fā) 生突變；3.

4、普通負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻：阻值隨溫度升高而減小。前兩類的電阻急變區(qū)的溫度范 圍窄，故適宜用在特定溫度范圍作為控制和報警的傳感器。第三類在溫度測量領(lǐng)域應(yīng)用較廣，是本 實驗所用的熱敏元件。具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻被廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)、醫(yī)、交通、軍事、科研等各個領(lǐng)域的溫度測 量和溫度控制技術(shù)中。這類熱敏電阻大多數(shù)是由一些過渡金屬氧化物（主要用Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的燒結(jié)條件下形成的半導(dǎo)體金屬氧化物作為基本材料制做而成，它們具有P型半導(dǎo) 體的特性。對于一般半導(dǎo)體材料，電阻率隨溫度變化主要依賴于載流子濃度，而遷移率隨溫度的變 化相對來說可以忽略。但對上述過渡金屬氧化物則有所不同，在室溫范

5、圍內(nèi)基本上已全部電離，即 載流子濃度基本與溫度無關(guān)，此時主要考慮遷移率與溫度的關(guān)系，隨著溫度升高，遷移率增加，所溫度特性的(7.3-1)以這類金屬氧化物半導(dǎo)體的電阻率下降，根據(jù)理論分析，對于這類熱敏電阻的電阻 數(shù)學(xué)表達(dá)式通?？梢员硎緸?R = R - exp其中R25和Rt分別表示環(huán)境溫度為25C和tC時熱敏電阻的阻值：T=273+t； Bn為材料常數(shù)，其 大小隨制做熱敏電阻時選用的材料和配方而異，對于某一確定的熱敏電阻元件，它可由實驗上測得 的電阻一溫度曲線的實驗數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法求得。為實現(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，還需要了解熱敏電阻的伏安特 性。由圖7.3

6、-1可知，在V-I曲線的起始部分，曲線接近線性，這是因為電流小時在熱敏電阻上消耗 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，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。圖7.3-1熱敏電阻伏安特性曲線圖7.3-2熱敏電阻測溫電路原理圖半導(dǎo)體溫度計測溫電路半導(dǎo)體溫度計測溫電路的原理圖如圖7.3-2所示（僅供參考），圖中G是微安計，Rt為熱敏電 阻，當(dāng)電橋平衡時，表的指示必為零，此時應(yīng)滿足條件R1/R2=R3/Rt，若取R1=R2，則R3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Rt），則平衡將受到破壞，微安計中將有 電流流過，若電橋電壓，

7、微安計內(nèi)阻RG，電橋各臂電阻R】、R2、R3已定，就可以根據(jù)微安計的讀數(shù) IG的大小計算出Rt的大小來。也就是說，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， 因此就可以利用這種“非平衡電橋”的電路原理來實現(xiàn)對溫度的測量。由上述可知，可由E、Rg、R、R2確定IG和Rt的關(guān)系，如何選定E和R、R2、R3呢？由電橋 原理可知：當(dāng)熱敏電阻的阻值在測溫量程的下限r(nóng)t1時，要求微安計的讀數(shù)為零（即IG=0），此時 電橋處于平衡狀態(tài)，滿足平衡條件。若取R1=R2,則R3=Rt1，即R3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 R3的電阻值。當(dāng)溫度增加時，熱敏電阻的電阻值就會

8、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。此時，流入微安計 中的電流IG與加在電橋兩端的電壓VCD和R、R2有關(guān)，由于選取起始狀態(tài)（IG=0時）是對稱電橋，即R1=R2,故IG只與VCD和RT2有關(guān)。若流入熱敏電阻Rt中的電流IT比流入微安計內(nèi)的電流IG大得 多（即ITIG），則加在電橋兩端上的電壓VCD近似有VD = It（R3 + R）（7.3-2）根據(jù)所選定的熱敏電阻的最大工作電流（當(dāng)R3=RT2時），可由式（7.3-2）確定供電電池的個數(shù)。 根據(jù)圖7.3-2的電橋電路，由基爾霍夫方程組可以求出流入微安計的電

9、流IG與VCD、R1、R2、R3、RT2 的關(guān)系：4 _-RVCD(7.3-3)R + R R + R123T2八 RR R Rg + R + R + R + R123 T 2由于 r1=r2、R3=Rt1，f 1R)2fR R )1 -T2R + T1 T 22 R,+ R/L G R+七J整理后有2V R = CD1 IG(7.3-4)由式（7.3-4）就可以最后確定R1（R2）的數(shù)值。這樣確定的R1和R2是與選擇的VCD相對 應(yīng)，也就是和IT相對應(yīng)的，由式（7.3-4），它取決于所選擇的IT，IT小一些，則VCD也小一些， 相應(yīng)的R1和R2的實際值也可以比計算值小一些，但不應(yīng)比計算值大（

10、為什么？）。在本實驗 中，可以選取VCD=1V，代入式（7.3-4），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擇?！緦嶒瀮?nèi)容】用半導(dǎo)體熱敏電阻作為傳感器，設(shè)計制作一臺測溫范圍為2070 C的半導(dǎo)體溫度計，參考電 路見圖7.3-3。圖7.3-3半導(dǎo)體溫度計參考電路設(shè)計要求（1）在所測量的溫度范圍內(nèi)，要求作為溫度計用的微安計的全部量程均能有效地利用，即當(dāng)溫 度為20C時，微安計指示為零；而溫度為70C時，微安計指示為滿刻度。（2）要求長時間的測量（如幾分鐘）時，微安計

11、的讀數(shù)應(yīng)穩(wěn)定不變。可提供的儀器和元件熱敏電阻及恒溫水浴箱、微安表、可調(diào)電阻器（3個）、四線電阻箱、1.5V電池、單刀開關(guān)、 滑動變阻器、萬用表及表筆等。參考設(shè)計方案（1）根據(jù)數(shù)據(jù)表（數(shù)據(jù)表格要加入）格中所給的熱敏電阻值與各溫度點對應(yīng)關(guān)系表，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Rt1和上限溫度（70C ）所對應(yīng)的電阻值RT2。 再由熱敏電阻的伏安特性曲線確定最大工作電流/T。根據(jù)實驗中采用的熱敏電阻的實際情況，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=Rt1，即測量溫度的下限電阻值，由式（7.3-4）計算出橋臂電阻R1和R2的

12、電阻值， 公式中RT2為量程上限溫度的電阻值，Rg為微安表的內(nèi)阻。計算橋臂電阻值，已知參數(shù)：微安表表頭內(nèi)阻值Rg=1.2KQ，表頭量程為100心；根據(jù)已知數(shù)據(jù)， 選取R=R2, R3等于20C時熱敏電阻對應(yīng)的阻值，根據(jù)人計算公式：選擇VCD=1V，求得： R1=R?= （Q）。（3）調(diào)節(jié)可調(diào)電阻器R、R2、R3電阻值，用多用表邊測量邊調(diào)節(jié)可調(diào)電阻器R1和人2，使之阻 值達(dá)到式（7.3-3）的計算值（可以取比計算值略小的整數(shù)）；并同樣調(diào)節(jié)可調(diào)電阻器卅為測量下限 溫度（20C ）所對應(yīng)的Rt1。注意正確使用萬用表，特別是歐姆檔的正確使用方法。（4）熟悉線路原理圖（圖7.3-2），并對照實驗參考電路

13、圖（圖7.3-3）所用元件、位置及線路 的連接方向進(jìn)行實驗線路的連接。（5）調(diào)節(jié)電橋平衡狀態(tài)。1）電阻箱的阻值為測量下限溫度（20C ）所對應(yīng)的Rt1；2）微安表調(diào)零，調(diào)節(jié)微安表調(diào)零旋鈕，將微安表進(jìn)行調(diào)零；3）調(diào)節(jié)滑動變阻器，選擇使用數(shù)字萬用表的電壓檔測量電橋分壓，令VcdTV。4）閉合線路開關(guān)，觀察電橋是否平衡。如果不平衡，則微調(diào)可調(diào)電阻器R3，使電橋平衡，平 衡時微安表的讀數(shù)為零（注意，在以后調(diào)節(jié)過程中，R3保持不變）。（6）標(biāo)定微安表表盤1）電橋調(diào)節(jié)平衡完成以后，然后調(diào)節(jié)電阻箱的阻值為上限溫度（70C ）所對應(yīng)的RT2,再次調(diào) 節(jié)滑動變阻器，使微安表滿量程（為什么調(diào)節(jié)滑動變阻器可使電表滿

14、刻度？）。設(shè)想如果微安表正 負(fù)輸入端接反會有什么現(xiàn)象？2）保持電路各個儀器狀態(tài)不變，依次調(diào)節(jié)電阻箱阻值等于20C、25C、30C、35C、40C、 45C、50C、55C、60C、65C、70C時對應(yīng)的熱敏電阻阻值，將不同阻值時微安表對應(yīng)的電流值 記錄到數(shù)據(jù)表格中，同時將微安表表盤刻度改為溫度刻度。3）將圖7.3-4的表盤刻度改成溫度的刻度，將溫度值輸入到微安表窗體的“新增刻度”輸入框中， 并點擊“新增刻度”按鈕，此時會在微安表指針當(dāng)前位置處新增一條紅色刻度線并標(biāo)有相應(yīng)的溫度值。圖7.3-4微安表讀數(shù)刻度盤（7）用實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

15、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。實驗步驟及操作方法（1）進(jìn)入實驗場景窗體（2）計算并調(diào)節(jié)各個橋臂電阻值根據(jù)實驗原理，計算出線路中的橋臂電阻R1、R2的值，并取R3=Rt1；將萬用表置于20KQ檔， 接到可調(diào)變阻器1上，并調(diào)節(jié)可調(diào)變阻器1的阻值等于計算出的橋臂電阻R1的值，同樣方法，測量 并調(diào)節(jié)可調(diào)變阻器2、可調(diào)變阻器3的阻值分別等于橋臂電阻R1及R3的值。實驗連線-溫度標(biāo)定當(dāng)鼠標(biāo)移動到實驗儀器接線柱的上方，拖動鼠標(biāo)，便會產(chǎn)生“導(dǎo)線”，當(dāng)鼠標(biāo)移動到另一個接線 柱的時候，松開鼠標(biāo)，兩個接線柱之間便產(chǎn)生一條導(dǎo)線，連線成功；如果松開鼠標(biāo)的時候，鼠標(biāo)

16、不 是在某個接線柱上，畫出的導(dǎo)線將會被自動銷毀，此次連線失敗。根據(jù)電路圖連接好電路，然后在數(shù)據(jù)表格中點擊“連線”模塊下的“確定狀態(tài)”按鈕，保存連線狀 態(tài)。調(diào)節(jié)電橋平衡首先將微安表進(jìn)行調(diào)零，然后調(diào)節(jié)電阻箱的阻值等于20C溫度點對應(yīng)的熱敏電阻阻值；調(diào)節(jié)滑 動變阻器的滑片到合適位置；閉合線路開關(guān)；如果此時微安表的讀數(shù)為零，則說明電橋平衡；如果 微安表的讀數(shù)不為零，則微調(diào)可調(diào)變阻器3的阻值使電橋平衡(此處只可調(diào)節(jié)可調(diào)變阻器3,不能 調(diào)節(jié)R、R2的值，且調(diào)節(jié)平衡后，在后續(xù)的操作中不可再調(diào)節(jié))。標(biāo)定微安表刻度盤調(diào)節(jié)電阻箱阻值為70C溫度點對應(yīng)的熱敏電阻值，然后調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片位置使微安表指針 指向滿刻度

17、位置。保持滑動變阻器滑片位置不變，依次調(diào)節(jié)電阻箱阻值等于各個溫度點的熱敏電阻值，在微安表 的“溫度標(biāo)定”框中輸入對應(yīng)的溫度值并點擊新增刻度按鈕，則微安表刻度盤上的指針當(dāng)前位置將增 加一條溫度刻度線。依次完成各個溫度點的標(biāo)定，此時微安表表盤的標(biāo)定就完成了，標(biāo)定后的表盤如圖7.3-8所示：圖7.3-8標(biāo)定后的微安表刻度盤用熱敏電阻替換標(biāo)準(zhǔn)電阻箱，再次連線將電阻箱接線柱上的連線移接到熱敏電阻的接線柱上，用熱敏電阻替換電阻箱，并保持線路中 其它連線及儀器狀態(tài)不變。連接好電路后，然后在數(shù)據(jù)表格中點擊對應(yīng)的連線”模塊下的“確定狀態(tài)”按鈕，保存連線狀態(tài)。用熱敏電阻進(jìn)行溫度測量打開水浴鍋開關(guān)，設(shè)置水浴鍋的水溫

18、，待水浴鍋進(jìn)入恒溫狀態(tài)后，點擊保存第一次選擇的溫度 值“保存狀態(tài)”按鈕，然后從微安表上讀取測量的溫度值，并與水浴鍋上的溫度進(jìn)行比較，并記錄當(dāng) 前的微安表電流值；然后再次調(diào)節(jié)水浴鍋溫度值，選擇一個較高溫度重復(fù)測量。記錄數(shù)據(jù)實驗過程中，及時記錄所測量的數(shù)據(jù)，并填寫到數(shù)據(jù)表格中對應(yīng)的位置，完成數(shù)據(jù)表格。注意事項（1）所要定標(biāo)的溫度點，應(yīng)從熱敏電阻的電阻-溫度表格中讀取。（2）要先調(diào)節(jié)并測量好可調(diào)電阻器的阻值以后，再進(jìn)行實驗線路的連接。（3）菜單按鈕。右上角工具箱:各種使用工具，如計算器等。右上角help和關(guān)閉按鈕：help可以打開幫助文件，關(guān)閉按鈕功能就是關(guān)閉實驗。實驗儀器欄:存放實驗所需的儀器，可

19、以點擊其中的儀器拖放至桌面，鼠標(biāo)觸及到儀器，實驗儀 器欄會顯示儀器的相關(guān)信息；儀器使用完后，則不允許拖動儀器欄中的儀器了。提示信息欄:顯示實驗過程中的儀器信息，實驗內(nèi)容信息，儀器功能按鈕信息等相關(guān)信息，按F1 鍵可以獲得更多幫助信息。實驗狀態(tài)輔助欄:顯示實驗名稱和實驗內(nèi)容信息（多個實驗內(nèi)容依次列出），當(dāng)前實驗內(nèi)容顯示為 紅色，其他實驗內(nèi)容為藍(lán)色；可以通過單擊實驗內(nèi)容進(jìn)行實驗內(nèi)容之間的切換。切換至新的實驗內(nèi) 容后，實驗桌上的儀器會重新按照當(dāng)前實驗內(nèi)容進(jìn)行初始化?！舅伎碱}】此實驗中存在的誤差主要包括哪些？如何降低這些誤差？實驗中為什么要先調(diào)節(jié)并測量好可調(diào)電阻器的阻值以后，再進(jìn)行實驗線路的連接？【儀

20、器介紹】一、實驗場景半導(dǎo)體溫度計設(shè)計實驗裝置包括：熱敏電阻及水浴鍋、微安表、1.5V電池、滑線變阻器、四線 電阻箱、可調(diào)變阻器、數(shù)字萬用表以及表筆、單刀開關(guān)等，實驗場景如圖7.3-5所示：圖7.3-5實驗主場景二、實驗儀器1 .數(shù)字萬用表數(shù)字萬用表是一種多用途電子測量儀器，有時也稱為萬用計、多用計、多用電表，或三 用電表。本實驗中使用的是3位半數(shù)字萬用表，如圖7.3-6所示：圖7.3-6萬用表面板結(jié)構(gòu)（一）儀器結(jié)構(gòu)：1）液晶顯示器：顯示儀表測量的結(jié)果，超量程時，最高位顯示T或“-1”；2）POWER電源開關(guān)：鼠標(biāo)點擊時，可以打開或關(guān)閉電源；3）B/L背光開關(guān)：開啟背光燈，約10秒后自動關(guān)閉；4

21、）三極管測試面孔：測試三極管特性的插孔，實驗中無此項功能；5）HOLD保持開關(guān)：按下此功能鍵，儀表當(dāng)前所測數(shù)值保持在液晶顯示器上并出現(xiàn)“HOLD”字樣， 再次按下，“HOLD”符號消失，退出保持功能狀態(tài)；6）檔位旋鈕：用于改變測量功能及量程，本實驗中旋鈕只可置于二極管測試檔、歐姆檔、直流電壓 檔、交流電壓檔、交流電流檔、直流電流檔等檔位，其他檔位不可用；7）電壓、電阻及頻率插孔：當(dāng)進(jìn)行電壓、電阻及頻率的測量時，使用此插孔；8）公共地COM插孔：測試附件正極插孔；9）毫安電流測量插孔：用于測量小于20mA電流的插孔；10.20A電流測量插孔：用于測量大于20mA并小于20A的大電流插孔；（二）測

22、量方法：1）使用前，首先要點擊Power開關(guān)，打開萬用表電源。2）直流電壓的測量：首先將黑表筆插進(jìn)“com孔，紅表筆插進(jìn)WQHZ”。把旋鈕選到比估計值大的 量程（注意：表盤上的數(shù)值均為最大量程，“V一”表示直流電壓檔，“V”表示交流電壓檔），然后 將測試表筆跨接在被測線路上，紅表筆所接的該點電壓與極性顯示在液晶顯示屏上。3）交流電壓的測量：表筆插孔與直流電壓的測量一樣，不過應(yīng)該將旋鈕打到交流檔“V-”處所需 的量程即可。交流電壓無正負(fù)之分，測量方法跟前面相同。4）直流電流的測量：先將黑表筆插A“COM孔。若測量大于200mA的電流，則要將紅表筆插入 “20A”插孔并將旋鈕打到直流“20A”檔；若測量小于200mA的電流，則將紅表筆插入“200mA”插孔， 將旋鈕打到直流200mA以內(nèi)的合適量程。調(diào)整好后，就可以測量了。將萬用表串聯(lián)到電路中，保持 穩(wěn)定，即可讀數(shù)。5）交流電流的測量：測量方法與直流電流的測量相同，不過檔位應(yīng)該打到交流檔位。6）電阻的測量：將表筆插進(jìn)“COM”和“VQHZ”孔中，把旋鈕打旋到“Q”中所需的量程，用表筆接 在電阻兩端。在使用歐姆檔時，應(yīng)先將表筆斷路，測得歐姆檔的零點偏差值，然后在實測中減去零 點偏差值。注意：每一次更換歐姆檔位時零點偏差值均會發(fā)生改變。（三）注意：1）如測量