温度系数测量

1、Ch3电子材料与元件温度系数的测量主要内容温度特性的概念温度特性的概念实验温度的获得和测量准确度的分析实验温度的获得和测量准确度的分析电阻温度系数的测量电阻温度系数的测量电容温度系数的测量电容温度系数的测量一、温度特性的概念物理参数物理参数温度温度材料结构材料结构和工艺和工艺 电子材料以及由电子材料制成的元器件其物理参数随温度变化电子材料以及由电子材料制成的元器件其物理参数随温度变化的现象称为温度特性。的现象称为温度特性。随温度变随温度变化规律的化规律的多样多样 由于温度特性变化规律的多样性，因此由于温度特性变化规律的多样性，因此 不能用简单的数学表不能用简单的数学表达式将其表征，通常采用测量

2、方法确定。达式将其表征，通常采用测量方法确定。电子材料温度特性的表征可采用下面三种形式：电子材料温度特性的表征可采用下面三种形式：(1)电阻或电容电阻或电容(或介电系数或介电系数)的温度系数。的温度系数。 参数：参数：R，c，s(2)极限温度下电阻值或电容量极限温度下电阻值或电容量(或介电系数或介电系数)变化百分率。变化百分率。(3)阻值或容量温度循环漂移。阻值或容量温度循环漂移。一、温度特性的概念1.电阻温度系数：电阻温度系数： 在某一规定的环境温度范围内，温度每改变一度电阻值的相对变化率。在某一规定的环境温度范围内，温度每改变一度电阻值的相对变化率。用每度百万分之几或用每度百万分之几或1e

3、-6/C或或ppm /C表示。表示。R1，R2分别是分别是t1，t2时的电阻，时的电阻， t1通常是标准条件下的温度通常是标准条件下的温度(20 5C)实际温度系数的大小和符号是随温度改变而变化的，因此电阻器或材料电阻温度系数是在使用范围内，任意温度间的温度系数平均值。 一、温度特性的概念R =TKR=(1/R)(dR/dt)TKR平均平均=(1/R1) (R2-R1)/ (t2-t1) 1e6(ppm /C)一、温度特性的概念对于温度特性是线性或近似线性，可通过下列温度下达到热稳定后测量对于温度特性是线性或近似线性，可通过下列温度下达到热稳定后测量确定温度系数。确定温度系数。最高环境最高环境

4、温度温度205C最低环境最低环境温度温度205C最后测的温度系数最后测的温度系数R =R/(Rt)1e6（1e-6/C）。）。式中式中R是是(a)和和(c)温度下的阻值，温度下的阻值，R是是(b)和和(a)或或(d)和和(c)温度下的阻值之差。温度下的阻值之差。t是是(b)和和(a)或或(d)和和(c)的实测温度之差。的实测温度之差。(a)(b)(c)(d)一、温度特性的概念对于温度特性是非线性，根据电阻器允许的环境温度范围，依次在下列对于温度特性是非线性，根据电阻器允许的环境温度范围，依次在下列温度下使样品达到热稳定后测量其阻值。温度下使样品达到热稳定后测量其阻值。表表3-1所列所列各温度点

5、各温度点205C表表3-1所列所列各温度点各温度点205C(a)(b)(c)(d)相邻两点间的电阻温度系数为：相邻两点间的电阻温度系数为： R =R/(Rt)1e6（1e-6/C）式中式中R/R 是相邻两点间的阻值相对变化值，是相邻两点间的阻值相对变化值，t是相邻两点的实测温度差。是相邻两点的实测温度差。一、温度特性的概念对于温度特性是非线性，且近似抛物线时，依次在下列温度下使样品达对于温度特性是非线性，且近似抛物线时，依次在下列温度下使样品达到热稳定后测量其阻值。到热稳定后测量其阻值。200.1CR20400.1CR40100.1CR10(a)(b)(c)一、温度特性的概念电阻器的一次温度系

6、数电阻器的一次温度系数20和二次温度系数和二次温度系数20分别按下式进行计算。分别按下式进行计算。20=(40-410)/60 1e620 =(40-210)/600 1e6式中：式中：40=(R40-R20)/R20 为温度由为温度由20变为变为40时的阻值相对变化；时的阻值相对变化；10=(R10-R20)/R20为温度由为温度由20变为变为10时的阻值相对变化。时的阻值相对变化。一、温度特性的概念2.电容温度系数：电容温度系数： 在极限温度范围内，温度每改变一度，容量的相对变化率。在极限温度范围内，温度每改变一度，容量的相对变化率。ac=TKC=dC/(Cdt) 或介电系数温度系数：或介

7、电系数温度系数：a=TK=d/(dt)同样由于温度系数变化的非线性，故采用容量的平均温度系数同样由于温度系数变化的非线性，故采用容量的平均温度系数ac=(C2-C1)/C1(t2-t1) 1e6（ 1e-6/C ）C1为室温为室温t1下测得的容量；下测得的容量；C2为极限温度下测得的容量。为极限温度下测得的容量。一、温度特性的概念3.极限温度下阻值或容量变化百分率是对变化为非线性产品，确定其在极限温度下阻值或容量变化百分率是对变化为非线性产品，确定其在极限温度下的阻值或容量相对于极限温度下的阻值或容量相对于20 2C时，阻值或容量的相对变化时，阻值或容量的相对变化率：率： 阻值变化率阻值变化率

8、 R%=(R1-R0)/R0 100% 容量变化率容量变化率 C%=(C1-C0)/C0 100% 式中：式中：R1、C1为在极限温度下测得的阻值和容量；为在极限温度下测得的阻值和容量； R0、C0为在为在20 2C下测得的阻值和容量下测得的阻值和容量一、温度特性的概念4.阻值或容量温度循环漂移：阻值或容量温度循环漂移： 是确定电阻和电容器经受正、负温度循环期间或温度循环之后，阻是确定电阻和电容器经受正、负温度循环期间或温度循环之后，阻值或容量相对于室温的最大相对不可逆变化。有时称为阻值和容量稳定值或容量相对于室温的最大相对不可逆变化。有时称为阻值和容量稳定性系数。性系数。测量条件如下：测量条

9、件如下：最低环境最低环境温度温度3C202C最高环境最高环境温度温度2C202C(a)(b)(c)(d)202C(e)阻值和容量温度漂移为：阻值和容量温度漂移为：一、温度特性的概念（a）阻值负温度循环漂移）阻值负温度循环漂移容值负温度循环漂移容值负温度循环漂移（b）阻值正温度循环漂移）阻值正温度循环漂移容值正温度循环漂移容值正温度循环漂移（c）阻值正、负温度循环漂移）阻值正、负温度循环漂移容值正、负温度循环漂移容值正、负温度循环漂移Ra、Ca、Rc、Cc、Re、Ce分分别为在别为在a、c、e点所测得的阻值点所测得的阻值和容量，通常选和容量，通常选用上述一组或最用上述一组或最大的大的值值我国用温

10、度系数来表征温度特性。我国用温度系数来表征温度特性。二、实验温度的获得和测量准确度的分析当实验温度高于室温：当实验温度高于室温：200300精度精度 1空气循环空气循环当温度控制精度要求更精确采用超级恒温箱，采用热水或油循环调节温当温度控制精度要求更精确采用超级恒温箱，采用热水或油循环调节温度，温度控制精度在度，温度控制精度在 0.1二、实验温度的获得和测量准确度的分析当实验温度低于室温：当实验温度低于室温：可采用冰箱、低温箱或冷冻设备。简易制冷可采用盐冰混合物、干冰加可采用冰箱、低温箱或冷冻设备。简易制冷可采用盐冰混合物、干冰加不同比例酒精或液氮。不同比例酒精或液氮。典型电阻及电容与温度的关

11、系典型电阻及电容与温度的关系二、实验温度的获得和测量准确度的分析电阻器阻值与温度关系电阻器阻值与温度关系电容器容值与温度关系电容器容值与温度关系实际测量由于采用平均温度系数，这是造成温度系数测量实际测量由于采用平均温度系数，这是造成温度系数测量误差的重要原因。误差的重要原因。当绝对误差一定时，当绝对误差一定时， t选择越大，温度造成的误差降低，从而使温选择越大，温度造成的误差降低，从而使温度系数的测量误差小。度系数的测量误差小。二、实验温度的获得和测量准确度的分析不同的不同的t下温度系数误差与温度测量下温度系数误差与温度测量误差的关系误差的关系不同的不同的t下不同阻值测量准下不同阻值测量准确度

12、对温度系数误差的影响确度对温度系数误差的影响减小误差的方法减小误差的方法: :二、实验温度的获得和测量准确度的分析（1）采用鼓风加热设备或热容比较大的媒质进行热传导，）采用鼓风加热设备或热容比较大的媒质进行热传导，提高温度均匀性；提高温度均匀性；（2）对箱体内温度分布进行测量，采用校正曲线修正温度）对箱体内温度分布进行测量，采用校正曲线修正温度随位置的分布；随位置的分布；（3）控制升温速度来减少热惰性的影响，通常规定每分钟）控制升温速度来减少热惰性的影响，通常规定每分钟不超过不超过4C；（4）采用灵敏传感器，如电阻温度计等，配合）采用灵敏传感器，如电阻温度计等，配合PID控制，控制，提高控制灵

13、敏度和精度。提高控制灵敏度和精度。三、电阻温度系数测量电阻温度系数的测量方法电阻温度系数的测量方法: :1.间接测量法间接测量法间接测量通常采用两箱法：间接测量通常采用两箱法： 将电阻样品置于规定的将电阻样品置于规定的T1、T2下达到热平衡，利用上面章节介下达到热平衡，利用上面章节介绍的各种电阻测量仪，分别测量其阻值，然后按照温度系数定义绍的各种电阻测量仪，分别测量其阻值，然后按照温度系数定义及公式计算得到。及公式计算得到。直接测量通常采用不平衡电桥或极限电桥原理：直接测量通常采用不平衡电桥或极限电桥原理： 图中所示为极限电桥，其桥接网络实际上就是惠斯顿电桥，其不同之处在于图中所示为极限电桥，

14、其桥接网络实际上就是惠斯顿电桥，其不同之处在于有一灵敏的零点指示器和一精密电位器。有一灵敏的零点指示器和一精密电位器。 工作原理：正常工作下，精密电位器调节置于中间位置。常温时改变工作原理：正常工作下，精密电位器调节置于中间位置。常温时改变RN来平衡来平衡 Rx；当温度升高时，；当温度升高时，Rx阻值改变，这是用精密电位器来补偿，因此，可根据阻值改变，这是用精密电位器来补偿，因此，可根据电位器改变的数值直接读出电阻器电位器改变的数值直接读出电阻器Rx的温度系数。的温度系数。三、电阻温度系数测量2.直接测量法直接测量法电阻温度系数的测量方法电阻温度系数的测量方法: :极限电桥原理极限电桥原理精密

15、电精密电位器位器三、电阻温度系数测量电位器每边有电位器每边有500500个刻度，其阻值为个刻度，其阻值为500500，所以电位器每改变一个刻度则，所以电位器每改变一个刻度则代表代表0.01%0.01%的改变量，最大可读的改变量，最大可读5%5%的的电阻值相对变化量。因此，当确定温度电阻值相对变化量。因此，当确定温度改变量改变量TT后可直接将刻度盘标记为电后可直接将刻度盘标记为电阻温度系数值。阻温度系数值。电阻温度系数的测量方法电阻温度系数的测量方法: :变化范围变化范围9.5K-10.5K四、电容温度系数测量电容器温度系数的测量方法电容器温度系数的测量方法: :电容器温度系数测量有：两箱法和差

16、频谐振原理方法。电容器温度系数测量有：两箱法和差频谐振原理方法。一般采用第二种方法，因为一般采用第二种方法，因为CC变化很小，用一般方法测量误变化很小，用一般方法测量误差大，且不方便，采用差频法简单易行，测量精度也较高。差大，且不方便，采用差频法简单易行，测量精度也较高。原理：将被测电容接入测量振荡器的振荡回路，与另一参数原理：将被测电容接入测量振荡器的振荡回路，与另一参数振荡器进行差拍。因被测电容器未接入时，两振荡器频率相等振荡器进行差拍。因被测电容器未接入时，两振荡器频率相等，差拍得到零差。接入被测电容器后，两振荡器差拍失去零差，差拍得到零差。接入被测电容器后，两振荡器差拍失去零差，只有减

17、小测量振荡回路中的标准可变电容器容量才使之恢复，只有减小测量振荡回路中的标准可变电容器容量才使之恢复零差，则标准电容器减少之容量为待测电容器容量。零差，则标准电容器减少之容量为待测电容器容量。四、电容温度系数测量差频法原理图差频法原理图由于电容的温度特性，当被测电容在不同温度时，得到零差由于电容的温度特性，当被测电容在不同温度时，得到零差时标准电容器减小的电容值不同，因此可利用此来确定待测电时标准电容器减小的电容值不同，因此可利用此来确定待测电容器的温度系数。容器的温度系数。（1）在温度）在温度T1时，零差标准可变电容读数为时，零差标准可变电容读数为C1，回路，回路总电容总电容C1+Cx；。；

18、。因回路谐振频率不变，所以因回路谐振频率不变，所以 C2+Cx+ C= C1+Cx又因又因 2=1/(L(C1+Cx)所以所以 Cx=1/(2L)-C1则则 TKC= C/(Cx T)= C2L/ ( T(1-2LC1)四、电容温度系数测量（2）在温度）在温度T2时，改变标准可变电容，使之恢复零差，时，改变标准可变电容，使之恢复零差，此时电容读数为此时电容读数为C2，回路总电容，回路总电容C2+Cx+ C；。；。另外可利用振荡频率的变化测量温度系数另外可利用振荡频率的变化测量温度系数回路谐振频率与其参数存在下面关系：回路谐振频率与其参数存在下面关系：当当Cx变化很小时，变化很小时，CxCx+C

19、，可以求出，可以求出Cx的增量的增量Cx四、电容温度系数测量因为因为L给定，只要使（给定，只要使（C+Cx）为一常数，则）为一常数，则Cx和和f就存在固定的线就存在固定的线性关系。性关系。 根据电容温度系数可知根据电容温度系数可知四、电容温度系数测量式中式中K为一常数为一常数KY在同一测量波段内，当在同一测量波段内，当Cx在在2C附近变化时，也可视为常数附近变化时，也可视为常数测试误差曲线测试误差曲线测试从图可以看出，在测试从图可以看出，在1.6C Cx 2.4C范围内，范围内，Y可近似认为可近似认为是一常数，其误差不大于是一常数，其误差不大于1%；在在1.4C Cx 2.8C范围内，范围内，Y可近似认为是一常数，其误差不可近似认为是一常数，其误差不大于大于2%，因此可以认为，因此可以认为ac和和f之间近似地存在着固定的线性之间近似地存在着固定的线性关系，只要测出关系，只要测出f值，就可确知被测电容温度系数。值，就可确知被测电容温度系数。四、电容温度系数测量频率法测试步骤频率法测试步骤a.在温度在温度T1下，接入被测电容器下，接入被测电容器Cx到振荡器回路，调谐电容到振荡器