当前位置:文档之家› 测量热敏电阻的温度系数

测量热敏电阻的温度系数

3.5.2 用热敏电阻测量温度
(本文内容选自高等教育出版社《大学物理实验》)
热敏电阻是由对温度非常敏感的半导体陶瓷质工作体构成的元件。

与一般常用的金属电阻相比,它有大得多的电阻温度系数值。

根据所具有电阻温度系数的不同,热敏电阻可分三类:1.正电阻温度系数热敏电阻;2.临界电阻温度系数热敏电阻;3.普通负电阻温度系数热敏电阻。

前两类的电阻急变区的温度范围窄,故适宜用在特定温度范围作为控制和报警的传感器。

第三类在温度测量领域应用较广,是本实验所用的热敏元件。

热敏电阻作为温度传感器具有用料省、成本低、体积小、结构简易,电阻温度系数绝对值大等优点,可以简便灵敏地测量微小温度的变化。

我国有关科研单位还研制出可测量从-260℃低温直到900℃高温的一系列不同类型的热敏电阻传感器,在人造地球卫星和其他有关宇航技术、深海探测以及科学研究等众多领域得到广泛的应用。

本实验旨在了解热敏电阻-温度特性和测温原理,掌握惠斯通电桥的原理和使用方法。

学习坐标变换、曲线改直的技巧和用异号法消除零点误差等方法。

实验原理
1. 半导体热敏电阻的电阻——温度特性
某些金属氧化物半导体(如:Fe 3O 4、MgCr 2O 4等)的电阻与温度关系满足式(1):
T
B
T e R R ∞= (1) 式中R T 是温度T 时的热敏电阻阻值,R ∞是T 趋于无穷时热敏电阻的阻值,B 是热敏电阻的材
料常数,T 为热力学温度。

金属的电阻与温度的关系满足(2):
)](1[1212t t a R R t t -+= (2) 式中a 是与金属材料温度特性有关的系数,R t1、R t2分别对应于温度t 1、t 2时的电阻值。

根据定义,电阻的温度系数可由式(3)来决定:
dt
dR R a t t 1= (3) R t 是在温度为t 时的电阻值,由图3.5.2-1(a )可知,在R-t 曲线某一特定点作切线,便可求出该温度时的半导体电阻温度系数a 。

由式(1)和式(2)及图3.5.2-1可知,热敏电阻的电阻-温度特性与金属的电阻-温度特性比较,有三个特点:
(1) 热敏电阻的电阻-温度特性是非线性的(呈指数下降),而金属的电阻-温度特性是线性的。

(2) 热敏电阻的阻值随温度的增加而减小,因此温度系数是负的(2T
B a ∝
)。

金属的温度系数是正的(dt dR a /∝)。

(3) 热敏电阻的温度系数约为-(30~60)×10-4K -1,金属的温度系数为
14104--⨯K (铜),两者相比,热敏电阻的温度系数几乎大几十倍。

所以,半导体电阻对温度变化的反应比金属电阻林敏得多。

从经典电子论可知,金属中本来就存在着大量的自由电子,它们在电场力的作用下定向移动而形成电流,所以金属的电阻率较小,一般在cm ⋅Ω--6510~10。

当温度升高时,金属原子振动(热运动)加剧,增加了对电子运动的阻碍作用,故随着温度增高,金属电阻近似呈线性缓慢增加。

在室温情况下,半导体的电阻率介于良导体(约cm ⋅Ω-610)和绝缘体(约cm ⋅Ω221410~10)之间,其范围通常是cm ⋅Ω-9210~10,其特有的半导体电性质,一般来自热运动、杂质或点阵缺陷。

在半导体中,大部分电子是受束缚的,当温度升高时,依靠原子的振动(热运动),把能量传给电子,其中某些电子获得较高的能量脱离束缚态而变成自由电子(同时产生空穴),被释放的自由电子与空穴参与导电。

温度越高,原子的热运动越剧烈,产生的自由电子数目就越多,导电能力越好,电阻就越低。

虽然原子振动的加剧会阻碍电子的运动,但在温度不高的情况下(一般在300℃以下),这种作用对导电性能的影响,远小于电子被释放而改善导电性能的作用,所以温度上升会使半导体的电阻值迅速下降。

2. 惠斯通电桥的工作原理
半导体热敏电阻和金属电阻的阻值范围,一般在1~106Ω,需要较精确测量时常用电桥法,惠斯通电桥是应用很广泛的一种仪器。

惠斯通电桥的原理,如图3.5.2-2(a )所示。

四个电阻R 0、R 1、R 2、R x 组成一个四边形,即
电桥的四个臂,其中R x 就是待测电阻。

在四边形的一对对角A 和C 之间连接电源E ,而在另一对对角B 和D 之间接入检流计G 。

当B 和D 两点电位相等时,G 中无电流通过,电桥便达到了平衡。

平衡时必有021R R R R x =,R 1/R 2和R 0都已知,R x 即可求出。

R 1/R 2称电桥的比例臂,由一个旋钮调节,它采用十进制固定值,共分0.001、0.01、0.1、1、10、100、1000 七挡。

R 0为标准可变电阻,由有四个旋钮的电阻箱组成,最小改变量为1Ω,保证结构有四位有效数字。

02
1R R R R x =是在电桥平衡的条件下推导出来的。

电桥是否平衡是由检流计有无偏转来判断的,而检流计的灵敏度总是有限的。

如实验中所用的张丝式检流计,其指针偏转一格所对应的电流约为10-6A ,当通过它的电流比10-7A 还小时,指针的偏转小于0.1格,就很难觉察出来。

假设电桥在R 1/R 2=1时调到平衡,则有R x =R 0,这时若把R 0改变一个微小量ΔR 0,电桥便失去平衡从而有电流
I G 流过检流计,如果I G 小到检流计察觉不出来,那么人们仍然会认为电桥是平衡的,因而得到00R R R x ∆+=,ΔR 0就是由于检流计灵敏度不够高而带来的测量误差,引入电桥灵敏度S ,定义为:
x
x R R n S /∆∆= (4) 式中ΔR x 指的是在电桥平衡后R x 的微小改变量(实际上待测电阻R x 若不能改变,可通过改变标准电阻R 0来测电桥灵敏度),Δn 越大,说明电桥灵敏度越高,带来的测量误差就越小。

例如:S=100时就是当R x 改变1%时,检流计可以有一格的偏转。

通常可以觉察出2
1格的偏转,也就是说,电桥平衡后,只要R x 改变0.5%就可以察觉出来。

这样,由于电桥灵敏度的限制所带来的测量误差肯定小于0.5%。

电桥的测量误差,除了检流计灵敏度的限制外,还有桥臂电阻R 1、R 2和R 0的不确定度带来的误差。

一般来说,这些电阻可以制造的比较精确(误差为0.2%),标准电阻的误差为0.01%左右。

另外,电源电压的误差,也对电桥的测量结果有影响。

实验内容
1. 按图3.5.2-3接线,先将调压器输出调为零,测室温下的热敏电阻阻值,注意选择惠斯通电
桥合适的量程。

先调电桥至平衡得R 0,改变R 0为R 0+ΔR 0,使检流计偏转一格,求出电桥灵敏度;再将R 0改变为R 0-ΔR 0,使检流计反方向偏转一格,求电桥灵敏度。

求两次的平均值(为什么要用这种方法测量?)
2. 调节变压器输出进行加温,从15℃开始每隔5℃测量一次R t ,直到85℃。

撤去电炉,使水
温慢冷却,测量降温过程中,各对应温度点的R t 。

求升温和降温时的各R 的平均值,然后绘制出热敏电阻的R t -t 特性曲线。

在t=50℃的点作切线,由式(3)求出该点切线的斜率dt
dR 及电阻温度系数α。

3. 作T
R t 1}ln{-曲线,确定式(1)中的常数R ∞和B ,再由式(3)求α(50℃时)。

21T B dt dR R t t -==
α (5) 4. 比较式(3)和(5)两个结果,试解释那种方法求出的材料常数B 和电阻温度系数α更准
确。

5. 注意事项
在升温时要尽量慢(调压器输出要小一些),升温过程中,电桥要跟踪,始终在平衡点附近。

思考题
1.
如何提高电桥的灵敏度? 2. 电桥选择不同的量程时,对结果的准确度(有效数字)有何影响?。

相关主题