半导体温度计的设计一、实验简介在温度不太低或不太高（如从一20°C到几百度）的情况下，通常可以用水银温度计来测一定的温度。由于生产和科学实验的发展，需要精密和快速的温度测量，因而就需要灵敏度较高的温度计。现在已有各种用途的温度计，半导体温度计就是其中的一种。虽然热敏电阻对温度非常灵敏，但通常每个元件可适用的范围都不太宽，所以应根据所要测量的温度的上、下限和温度范围的高低选用具有合适阻值和B值的元件以及相应的测温电路。元件的B值越高，其电阻温度系数越大，可测量的范围越窄。表1给出了不同热敏电阻的适用范围和对应的B值。表1不同热敏电阻的适用范围和对应的B值适用的温度范围对应的B值T=23~173KB=200~1000KT=173~573KB=1500~6000KT=573~973KB=8000~10000KT>973KB>10000K由上表可知，测量低温采用B小的元件，测量高温采用B大的元件。通常选用电阻值R=102~106，因为电阻值太小灵敏度低，电阻值太大则会引起电绝缘和测量线路匹配困难。在各种热敏电阻的测温电路中，以分压电路和桥式电路的应用最广。本实验要求测试温度在20~70℃的范围内，选用合适的热敏电阻和非平衡电桥线路（或选用你认为更好的测温电路）来设计一半导体温度计
半导体温度计的设计 一、实验简介 在温度不太低或不太高（如从－20°C 到几百度）的情况下，通常可以用水 银温度计来测一定的温度。由于生产和科学实验的发展，需要精密和快速的温度 测量，因而就需要灵敏度较高的温度计。现在已有各种用途的温度计，半导体温 度计就是其中的一种。 虽然热敏电阻对温度非常灵敏，但通常每个元件可适用的范围都不太宽，所 以应根据所要测量的温度的上、下限和温度范围的高低选用具有合适阻值和 B 值的元件以及相应的测温电路。元件的 B 值越高，其电阻温度系数越大，可测量 的范围越窄。表 1 给出了不同热敏电阻的适用范围和对应的 B 值。 表 1 不同热敏电阻的适用范围和对应的 B 值 适用的温度范围 对应的 B 值 T=23~173K B=200~1000K T=173~573K B=1500~6000K T=573~973K B=8000~10000K T>973K B>10000K 由上表可知，测量低温采用 B 小的元件，测量高温采用 B 大的元件。通常 选用电阻值R = 102~106，因为电阻值太小灵敏度低，电阻值太大则会引起电绝 缘和测量线路匹配困难。在各种热敏电阻的测温电路中，以分压电路和桥式电路 的应用最广。 本实验要求测试温度在 20~70 ℃的范围内，选用合适的热敏电阻和非平衡 电桥线路（或选用你认为更好的测温电路）来设计一半导体温度计
二、实验原理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确定温度的仪器。这种测量方法为非电量的电测法，它可以将各种非电量，如长度、位移、应力、应变、温度、光强等转变成电学量，如电阻、电压、电流、电感和电容等，然后用电学仪器来进行测量。由于金属氧化物半导体的电阻值对温度的反应很灵敏，因此可以作为温敏传感器。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，还需要了解热敏电阻的伏安特性。由图1可知，在V-I曲线的起始部分，曲线接近线性，这是因为电流小时在热敏电阻上消耗的功率不足以显著地改变热敏电阻的温度，因而符合欧姆定律。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。VI0I图1热敏电阻伏安特性曲线图2热敏电阻测温电路原理图半导体温度计测温电路的原理图如图2所示（仅供参考），图中G是微安计，R为热敏电阻，当电桥平衡时，表的指示必为零，此时应满足条件登=，若R2RT取R1=R2，则R3的数值即为Rr的数值。平衡后，若电桥某一臂的电阻又发生改变（如R），则平衡将受到破坏，微安计中将有电流流过，若电桥电压，微安计内阻RG，电桥各臂电阻R1、R2、R3已定，就可以根据微安计的读数IG的大小计算出R的大小来。也就是说，微安计中的电流的大小直接反映了热敏电阻的
二、实验原理 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确定温度的仪器。这种测量方法 为非电量的电测法，它可以将各种非电量，如长度、位移、应力、应变、温度、 光强等转变成电学量，如电阻、电压、电流、电感和电容等，然后用电学仪器来 进行测量。 由于金属氧化物半导体的电阻值对温度的反应很灵敏，因此可以作为温敏传 感器。 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，还需要了解 热敏电阻的伏安特性。由图 1 可知，在 V-I 曲线的起始部分，曲线接近线性，这 是因为电流小时在热敏电阻上消耗的功率不足以显著地改变热敏电阻的温度，因 而符合欧姆定律。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。 图 1 热敏电阻伏安特性曲线 图 2 热敏电阻测温电路原理图 半导体温度计测温电路的原理图如图 2 所示（仅供参考），图中Ｇ是微安计， 𝑅𝑅𝑇𝑇为热敏电阻，当电桥平衡时，表的指示必为零，此时应满足条件𝑅𝑅1 𝑅𝑅2 = 𝑅𝑅3 𝑅𝑅𝑇𝑇 ，若 取R1 = R2，则 R3的数值即为𝑅𝑅𝑇𝑇的数值。平衡后，若电桥某一臂的电阻又发生改 变（如𝑅𝑅𝑇𝑇），则平衡将受到破坏，微安计中将有电流流过，若电桥电压，微安 计内阻R𝐺𝐺，电桥各臂电阻R1、R2、R3已定，就可以根据微安计的读数I𝐺𝐺的大小 计算出𝑅𝑅𝑇𝑇的大小来。也就是说，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，因此就可以利用这种“非平衡电桥”的电路原理来实现对温度的测量。由上述可知，可由E、RG、R1、R2确定Ic和R的关系，如何选定E和R1、R2、R3呢？由电桥原理可知：当热敏电阻的阻值在测温量程的下限RT1时，要求微安计的读数为零（即Ic=0），此时电桥处于平衡状态，满足平衡条件。若取R1=R2则R3=RT1，即R3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R3的电阻值。当温度增加时，热敏电阻的电阻值就会减小，电桥出现不平衡，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Rr2时，要求微安计的读数为满刻度。此时，流入微安计中的电流IG与加在电桥两端的电压Vcp和R1、R2有关，由于选取起始状态（IG=0时）是对称电桥，即R1=R2，故IG只与VcD和RT2有关。若流入热敏电阻Rr中的电流I比流入微安计内的电流IG大得多（即I》Ic），则加在电桥两端上的电压Vcp近似有(1)VcD = Ir(R3 + R)根据所选定的热敏电阻的最大工作电流（当R3=RT2时），可由式（1）确定供电电池的个数。根据图2的电桥电路，由基尔霍夫方程组可以求出流入微安计的电流Ic与VcD、R1、R2、R3、RT2的关系：R2RT2R1+R2 R3+RT2TT-VcD(2)IG= Ro+RR,RaT.由于R1=R2、R3=RT1，整理后有(G-) 2(R + )R1 = 2VcD (1)(3)IG（2RT1+RT2)由式（3）就可以最后确定R1（R2）的数值。这样确定的R,和R2是与选择的VcD相对应，也就是和I相对应的，由式（1），它取决于所选择的IT，Ir小一些，则VcD也小一些，相应的R,和R2的实际值也可以比计算值小一些，但不应比计算值大（为什么？）。在本实验中，可以选取VcD=1V，代入式（3），可得R1。一般加在电桥两端的电压VcD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R，它的电阻值应根据电桥电路中的总电流来选择。三、实验内容
阻值的大小，因此就可以利用这种“非平衡电桥”的电路原理来实现对温度的测 量。 由上述可知，可由E、R𝐺𝐺、R1、R2确定I𝐺𝐺和𝑅𝑅𝑇𝑇的关系，如何选定E和R1、R2、R3呢？ 由电桥原理可知：当热敏电阻的阻值在测温量程的下限𝑅𝑅𝑇𝑇1时，要求微安计的读 数为零（即I𝐺𝐺 = 0），此时电桥处于平衡状态，满足平衡条件。若取R1 = R2， 则R3 = R𝑇𝑇1，即R3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R3的电阻值。 当温度增加时，热敏电阻的电阻值就会减小，电桥出现不平衡，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 RT2时，要求微安计 的读数为满刻度。此时，流入微安计中的电流I𝐺𝐺与加在电桥两端的电压V𝐶𝐶𝐶𝐶和R1、 R2有关，由于选取起始状态（I𝐺𝐺 = 0时）是对称电桥，即R1 = R2，故I𝐺𝐺只与V𝐶𝐶𝐶𝐶和 𝑅𝑅𝑇𝑇2有关。若流入热敏电阻𝑅𝑅𝑇𝑇中的电流I𝑇𝑇比流入微安计内的电流I𝐺𝐺大得多（即 I𝑇𝑇 ≫ I𝐺𝐺），则加在电桥两端上的电压V𝐶𝐶𝐶𝐶近似有 V𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝐼𝐼𝑇𝑇(𝑅𝑅3 + 𝑅𝑅) （1） 根据所选定的热敏电阻的最大工作电流（当R3 = RT2时），可由式（1）确 定供电电池的个数。根据图 2 的电桥电路，由基尔霍夫方程组可以求出流入微安 计的电流I𝐺𝐺与V𝐶𝐶𝐶𝐶、R1、R2、R3、𝑅𝑅𝑇𝑇2的关系： I𝐺𝐺 = 𝑅𝑅2 𝑅𝑅1+𝑅𝑅2 − 𝑅𝑅𝑇𝑇2 𝑅𝑅3+𝑅𝑅𝑇𝑇2 𝑅𝑅𝐺𝐺+ 𝑅𝑅1𝑅𝑅2 𝑅𝑅1+𝑅𝑅2 + 𝑅𝑅3𝑅𝑅𝑇𝑇2 𝑅𝑅3+𝑅𝑅𝑇𝑇2 𝑉𝑉𝐶𝐶𝐶𝐶 （2） 由于R1 = R2、R3 = R𝑇𝑇1，整理后有 R1 = 2𝑉𝑉𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐼𝐼𝐺𝐺 � 1 2 − 𝑅𝑅𝑇𝑇2 𝑅𝑅𝑇𝑇1+𝑅𝑅𝑇𝑇2 � − 2(𝑅𝑅𝐺𝐺 + 𝑅𝑅𝑇𝑇1𝑅𝑅𝑇𝑇2 𝑅𝑅𝑇𝑇1+𝑅𝑅𝑇𝑇2 ) （3） 由式（3）就可以最后确定R1（R2）的数值。这样确定的R1和R2是与选择的 V𝐶𝐶𝐶𝐶相对应，也就是和𝐼𝐼𝑇𝑇相对应的，由式（1），它取决于所选择的𝐼𝐼𝑇𝑇，𝐼𝐼𝑇𝑇小一些， 则V𝐶𝐶𝐶𝐶也小一些，相应的R1和R2的实际值也可以比计算值小一些，但不应比计算 值大（为什么？）。在本实验中，可以选取V𝐶𝐶𝐶𝐶 = 1V，代入式（3），可得R1。 一般加在电桥两端的电压V𝐶𝐶𝐶𝐶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 R，它的电阻值应根 据电桥电路中的总电流来选择。 三、实验内容
用半导体热敏电阻作为传感器，设计制作一台测温范围为20～70℃的半导体温度计，参考电路见图3。HAY.R,R213E图3半导体温度计参考电路1.设计要求（1）在所测量的温度范围内，要求作为温度计用的微安计的全部量程均能有效地利用，即当温度为20℃时，微安计指示为零；而温度为70℃时，微安计指示为满刻度。（2）要求长时间的测量（如几分钟）时，微安计的读数应稳定不变。2.可提供的仪器和元件热敏电阻及恒温水浴箱、微安表、可调电阻器（3个）、四线电阻箱、1.5V电池、单刀开关、滑动变阻器、万用表及表笔等。3.参考设计方案（1）根据数据表（数据表格要加入）格中所给的热敏电阻值与各温度点对应关系
用半导体热敏电阻作为传感器，设计制作一台测温范围为 20～70 ℃的半导 体温度计，参考电路见图 3。 图 3 半导体温度计参考电路 1．设计要求 （1）在所测量的温度范围内，要求作为温度计用的微安计的全部量程均能有 效地利用，即当温度为 20℃时，微安计指示为零；而温度为 70℃时，微 安计指示为满刻度。 （2）要求长时间的测量（如几分钟）时，微安计的读数应稳定不变。 2．可提供的仪器和元件 热敏电阻及恒温水浴箱、微安表、可调电阻器（3 个）、四线电阻箱、1.5V 电 池、单刀开关、滑动变阻器、万用表及表笔等。 3．参考设计方案 （1）根据数据表(数据表格要加入)格中所给的热敏电阻值与各温度点对应关系
表，确定所设计的半导体温度计的下限温度（20℃）所对应的电阻值R和上限温度（70℃）所对应的电阻值Rr2。再由热敏电阻的伏安特性曲线确定最大工作电流It。根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取Vcp=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。X实验数据表格(1.5V)图热敏电阻伏安特性曲线图2.热敏电阻测温电路原理图计算桥臂电阻值，已知参数：微安表表头内阻为Rg=1.2KQ表头量程为100μA：根据已知数据，选取R1=R2R3阻值等于20C时热敏电阻对应的阻值根据R1计算公式：选择VCD=1V，求得R1=R2（单位：Q）将电路连接好然后点击按钮保存连线状态完成操作请点击按钮确认！确定状态将测量数据填入下列表格内调节电阻箱阻值使电桥平衡：此时，调节滑动变阻器，选取VCD=1V，依次调节电阻箱的阻值为不同温度下的热敏电阻值，记录下微安表对应的电流值填入下表，并在微安表表盘的温度值输入框中输入对应的温度值并点击新增刻度按钮，完成微安表表盘不同电流值时对应的温度值刻度标定：温度值202530354025952126175339433187热敏电阻值（单位Q）微安表电流值（单位UA）半导体温度计测量温度值：保持可调电阻器R1、R2、R3阻值不变，用热敏电阳替换线路中的标准电阻箱关闭连接好实验仪器数据表格（2）令R3=RT1，即测量温度的下限电阻值，由式（3）计算出桥臂电阻R，和R2的电阻值，公式中R2为量程上限温度的电阻值，Rc为微安表的内阻。（3）调节可调电阻器R1、R2、R3电阻值，用多用表边测量边调节可调电阻器R1和R2，使之阻值达到式（3）的计算值（可以取比计算值略小的整数）；并同样调节可调电阻器R3为测量下限温度（20℃）所对应的RT1。注意正确使用万用表，特别是欧姆档的正确使用方法
表，确定所设计的半导体温度计的下限温度（20℃）所对应的电阻值 RT1和上限 温度（70℃）所对应的电阻值 RT2。再由热敏电阻的伏安特性曲线确定最大工作 电流 IT。根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取 VCD=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。 数据表格 （2）令R3 = R𝑇𝑇1，即测量温度的下限电阻值，由式（3）计算出桥臂电阻R1和R2的 电阻值，公式中 RT2为量程上限温度的电阻值，RG为微安表的内阻。 （3）调节可调电阻器 R1、R2、R3电阻值，用多用表边测量边调节可调电阻器R1和 R2，使之阻值达到式（3）的计算值（可以取比计算值略小的整数）；并同样调 节可调电阻器R3为测量下限温度（20℃）所对应的R𝑇𝑇1。注意正确使用万用表， 特别是欧姆档的正确使用方法