大学物理_实验6-8半导体温度计设计.doc

实验6-8 半导体温度计的设计 一、 实验目的 (1)、了解半导体温度计的基本原理并设计半导体温度计。 (2)、了解非平衡电桥的工作原理及其在非电量电测量中的应用。 二、实验原理 半导体温度计是利用半导体的电阻随温度的变化而发生急剧变化的特性而制作的。因而测量半导体温度计的阻值就可以确定其温度，这种测量方法通常叫做非电量电测法。 半导体热敏电阻的阻值与温度的关系为，其中，A、B为与半导体热敏电阻有关的常数，T为绝对温度。半导体热敏电阻的电阻温度特性曲线为图6-25所示。 图6-25 半导体热敏电阻的电阻－温度曲线 图6-26 半导体热敏电阻的伏安特性曲线 由于采用非电量的电测法测量半导体材料的阻值，因此还需要了解半导体热敏电阻的伏安特性，其伏安特性曲线如图6-26所示。其中在刚开始的一段特性曲线a是线性的。这是因为电流小时，在半导体材料上消耗的功率不足以显著的改变热敏电阻的温度，因而，这一段符合欧姆定律，当电流增加到使热敏电阻的温度高于周围介质的温度时，其阻值就下降，于是伏安特性曲线是bc段。要使热敏电阻用于温度测量，必须要求其阻值只随外界温度的改变而变化，与通过它的电流无关。因此，其工作区域必须在伏安曲线的直线部分。 实验电路如图6-27所示。 图6-27 实验电路原理图 图中G为微安计，Rt为热敏电阻。当电桥平衡时，微安计读数为零，此时满足R1/R2=R3/Rt.。若取R1＝R2，则R3的数值就等于Rt的数值。电桥平衡后，其中若某一臂的电阻发生变化（如Rt），则平衡将受到破坏，微安计中将会有电流通过。若电桥电压、微安计的内阻Rg、电桥各臂电阻（R1、R2、R3）固定，则可以根据微安计的读数Ig的大小计算出Rt，再根据热敏电阻的电阻－温度特性曲线测量其对应的温度值，实现对温度的测量。因此，为使半导体热敏电阻阻值标志温度值，试验中首先要选定电路中E、R1、R2、R3各量，选定方法如下：根据所设计的半导体温度计的测温范围t1～t2，由热敏电阻－温度曲线，查出对应的热敏电阻阻值的下限值Rt1和上限值Rt2，当热敏电阻阻值为RT1时，使电桥处于平衡状态（Ig＝0）；若取R1＝R2、R3＝RT1，则R3就是热敏电阻处于测温量程下限温度的电阻值。当温度增加时，热敏电阻的电阻值就减小，电桥出现不平衡，在微安计中就有电流通过。当热敏电阻处在测量量程的上限温度电阻值Rt2时，要求微安计读数为满刻度。 若流入热敏电阻Rt中的电流It比流入微安计内的电流Ig大得多，则电桥两端电压：ucd≈It（R3＋RT）。取Rt=Rt1时，热敏电阻的最大工作电流It即可决定ucd和E。由电桥平衡和基尔霍夫方程组，可以得到： (6-20) (6-21) 一般加在电桥两端的电压ucd比所选定的电池电压低，为了保证电桥两端所需的电压值，通常在电源上串连一个可变电阻R，其电阻值根据电桥中总电流来选择。 三、 实验内容 (1)、确定R1和R2的阻值。查看阻温数据，确定半导体温度计下限温度（10℃）所对应的电阻值Rt1和上限温度（90℃）所对应的阻值Rt2；取R1/R2＝1。将相关数据带入R1的计算公式计算R1的值，并填入R1控件中。 （2）、温度计定标。令Rt值为Rt1，调节R3，使微安计指示零（注意：R3以后不变！）；再令Rt值 为Rt2，调节电位器R，使微安计满量程。 （3）、查阻温数据，从10℃开始，每隔5℃读取一个电阻值。依次输入标准电阻箱，点击“测量” 按钮，读出微安计的电流读数I。记录所有数据填入表格中。 （4）、完成后单点击“描点”按钮，绘出温度－电流曲线，并保存数据和曲线。 （5）、实际温度的测量：单击“测量实际温度”按钮，根据提示，自行输入接入被测物体后的微 安计电流读数，在“被测温度”显示框中就可以显示被测物体的温度。 四、数据处理 （1）、计算R1的值。 （2）、完成所有测量后，记录数据到表6-5中。 表 6-5半导体温度计的设计数据表 物理量 数 据 T / ℃ Rt / I / （3）、坐标纸上绘出温度－电流曲线图。 （4）、任意选择在可测电流范围内的两个电流值测出其温度