半导体温度计设计

1、重庆大学物理学院探究性物理实验研究报告项目名称 半导体温度计的设计 项目组长 项目组成员 年级专业班 2014年级理科试验班专业01班指导教师 2015 年 06 月 15 日项目组成绩表序号姓名总分折算后分数( %)1 丁文浩2 闫凯3指导教师评语教师签名： 年 月 日 §1项目概述§1.1项目任务书1、利用Pt100铂电阻温度传感器与电桥装置，设计、组合一个测量范围0-100的温度计，写出实验原理并进行实验。2、查阅2篇以上相关论文，并对论文进行综述，论文要附加到研究报告后面。3、以实验装置测温传感器为准，对你的温度计进行实验测量。仔细进行实验，找出你的温度计在0-10

2、0范围内最大的误差，分析误差原因，提出减小误差的方法。详细写入报告中。4、完成答辩用的PPT，每小组1个PPT，每位同学要分别介绍自己的研究工作，完成自己工作部分的报告的撰写，并组成完整的研究报告。§1.2项目小组成员分工组长丁文浩：实验数据处理与实验误差分析及温度计校正；组员闫凯：了解实验仪器及实验原理，初步设计实验。§2实验设计原理综述温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关，温度与科研，生产，人们的生活，植物生长有密切的关系，环境的温度具有与环境温度同等重要意义。因此对温度的研究就显得尤为的重要。铂热敏电阻Pt100是一种阻值随温度改变发生显著变化

3、的敏感元件。在工作温度范围内，阻值随温度升高而增加的称为正温度系数热敏电阻，反之称为负温度系数热敏电阻，“Pt100”是正温度系数电阻。热敏电阻具有体积小、反应快、使用方便的优点，通过热敏电阻，可以把温度及其变化转换成电学量或电学量的变化加以测量。所以，它被广泛应用于工、农、医、交通、军事、科研等各个领域的温度测量和控制工作中。直流电桥是一种精密的电学测量仪器，可分为平衡电桥和非平衡电桥两类。平衡电桥是通过调节电桥平衡，将待测电阻与标准电阻进行比较得到待测电阻的大小，如惠斯登电桥、开尔文电桥等都是平衡式直流电桥。由于需要调节平衡，因此平衡电桥只能用于测量具有相对稳定状态的物理量。随着测量技术的

4、发展，电桥的应用不再局限于平衡电桥的范围，非平衡电桥在非电量的测量中已得到广泛应用。实际工程和科学实验中，待测量往往是连续变化的，只要能把待测量同电阻值的变化联系起来，便可采用非平衡电桥来测量。将各种电阻型传感器接入电桥回路，桥路的非平衡电压就能反映出桥臂电阻的微小变化，因此，通过测量非平衡电桥的输出电压就可以检测出待测量的变化，如温度、压力、湿度等。本实验“用非平衡电桥设计组装铂电阻数字温度计”是一个比较典型的非平衡电桥应用实例。它是市场上各类数字温度计的雏形，具有一定实用价值，用铂电阻作感温元件可达到精密而稳定的测温效果。§3实验方案§3.1实验目的1、巩固平衡电桥测量

5、电阻的方法。2、学习和掌握测量热敏电阻温度特性的基本原理和操作方法。3、用热敏电阻结合非平衡电桥设计制作数字温度计。 §3.2实验设计内容用线性电阻（金属电阻）结合非平衡电桥设计测量范围为0100的数字温度计。§3.3实验原理非平衡电桥的原理图见图3.3-1所示。非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似，但测量方法上有很大差别。平衡电桥要求通过调节达到，从而得到，非平衡电桥则使、保持不变，由变化引起变化。再根据与的函数关系，通过检测的变化从而测得，由于可以检测连续变化的，所以可以检测连续变化的，进而检测连续变化的非电量。图 3.3-1 非平衡电桥及其等效电路§3.3.

6、1非平衡电桥的输出非平衡电桥的输出有两种情况：一种是输出端开路或负载电阻很大近似于开路，如后接高内阻数字电压表或高输入阻抗运放等情况，这时称为电压输出，实际使用中大多采用这种方式；另一种是输出端接有一定阻值的负载电阻，这时称为功率输出，简称功率电桥。根据戴维南定理，图3.3.1-1 (a)所示的桥路可等效为图3.3.1-1（b）所示的二端口网络。 图3.3.1-1（a） 图3.3.1-1（b） 其中为输出端开路的输出电压，为输出阻抗，等效电路见图3.3.1-1 (a)、（b）电压输出的情况下，有        &#

7、160;                令，为被测电阻，为其初始值，为电阻变化量。并且初始值满足电桥平衡条件代入以上两式，可得 （1）这是作为一般形式非平衡电桥的输出电压与被测电阻之间的函数关系。 当被测电阻的时，上式可简化为 （2）这时与R成线性关系。如果可得 （3）如果 （4）§3.3.2用平衡电桥测量电阻的方法如图3.3.2-1所示，将被测电阻接入平衡电桥，调节可变电阻使电桥平衡，故由电桥平衡条件可得，在本实验中，是Pt100“热

8、敏电阻”，由于随温度的变化而变化，所以需要不断调节使电桥达到平衡，隔一定温度调节一次使电桥达到平衡，记录的值，从而计算出的值，得到随温度t变化的曲线。 图3.3.2-1§3.3.3用非平衡电桥测量电阻的方法（1）将被测电阻（传感器）接入非平衡电桥，并进行初始平衡，为其初始值，这时电桥输出为0。改变被测的非电量，则被测电阻也变化。这时电桥有相应的电压输出。测出这个电压后，就可利用公式计算，再根据计算出。（2）根据测量结果求得。也可先作曲线，然后根据所得曲线，由的值得到及的值，这样就可以根据非平衡电桥的输出来测被测电阻。§3.3.4用平衡电桥测温度的方法将被测电阻（传感器）接入

9、平衡电桥，这时电桥有相应的电压输出，调节可调电阻使电桥平衡，即电压输出为零。此时根据公式计算得出的阻值，然后再由与温度关系求出温度t的值。此方法虽然理论上测量得到的较准确，但是在温度不断变化的时候，由于人无法迅速调节可调电阻使电桥达到平衡，导致在实际过程中，测到的偏差较大，并且无法得到偏差的数值，所以这不是最佳的测量方案。§3.3.5用非平衡电桥测温度的方法用线性电阻（金属电阻）测温度铂电阻（或金属电阻）与温度的关系，一定温度范围内可表示为式中 和分别为温度为t和 0时的电阻。并且初始值满足电桥平衡条件。在 0100范围内值作用不显著，与近似成线性关系，即所以，代入上式得式中的值可由

10、实验方法测得：先测量电阻的温度电阻特性，即选取不同的温度，得到相应的，并绘制曲线，其斜率即。这样就可以由电桥的求得相应的温度变化量，从而求得。特殊地，当时，上式可简化为 （5）  这时与成线性关系，因此我们可以通过电压改变的大小来判断温度变化的情况。§3.4实验仪器半导体传感器，温度传感器实验装置、FB820型温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪、电阻箱、导线等。§3.5实验内容用平衡电桥测量pt100“热敏电阻”的电阻温度特性本实验采用平衡电桥测量电阻，按电路图3.5.1-1接好电路，电源电压选择2V，电压测量量程选择2V，从0度开始测量，按下温度控制调节面板的

11、“SET”键设置温度为0度，选择致冷，可通过调节“致冷电流”旋钮来控制致冷功率。 设置完成后开始降温，当温度降为0度时，调节电阻箱使电桥达到平衡，读出此时电阻箱的示数，由于在本实验中，所以，即读出的的值就是的值。依次设置某一温度值，记录的值，直到100为止。记录完成后，绘制曲线。 图3.5.1-1 用平衡电桥测量不同温度时热敏电阻的阻值大小。即选取不同的温度，得到相应的，并绘制曲线，其斜率即。起始温度可以选室温或测量范围内的其他温度。§4实验数据§4.1实验数据记录数据记录如下：温度（）05.010.015.020.025.030.035.040.045.0100.0101

12、.8103.7105.7107.6109.3111.0112.7114.4116.2温度（）50.055.060.065.070.075.080.085.090.095.0118.0119.9121.8123.5125.4127.1129.0130.6132.4134.3温度（）100.0136.2§4.2实验数据处理绘制曲线 由上表记录的数据绘制曲线，并进行线性拟合，如下图所示如图横轴为，纵轴为，由Excel线性拟合得到曲线的线性关系为，由公式可得斜率=0.3596§5数字温度计的设计§5.1平衡电桥温度计通过平衡电桥可以测得未知温度t时的热敏电阻阻值，再根据曲

13、线得到对应阻值的温度数值，据此我们可以较为精确地测得温度。但是通过调节平衡电桥测温度的方法只适用于测稳态情况下物体的温度，因为对于非稳态变温物体，温度在变化的过程中，热敏电阻阻值在不断变化，无法快速调节电桥达到平衡。我们就需要用非平衡电桥设计一种不需调节电阻箱的温度计，能将温度的数值通过电压表直接显示出来。§5.2非平衡电桥温度计根据非平衡电桥的显示表头，通过适当选取电压的值，使显示的毫伏数正好为摄氏温度值。由公式可得与成正比，因为初始温度为0，所以，在如图5.2-1所示电路图中， ，；公式可写为，电压毫伏数，若使，只需t的系数为1即可，即，计算得E=3.36V。即控制电源电压为，就

14、可使，这样电压表显示的毫伏数值就是所测温度的数值，我们就可以通过毫伏表的示数直接读出温度的数值。（注意：调节为100使t为0时电压表示数为0） 图3.5-1§6误差分析§6.1系统误差§6.1.1仪器误差FB820型温度传感器测试及半导体致冷控温实验仪所测温度最小量为0.1，电阻箱所测电阻最小量为0.1，。仪器误差造成所测得的温度和对应的阻值不精确，造成绘制的曲线存在误差。§6.1.2理论分析误差在本实验中多次做过近似处理，在关系式中，将的关系近似为线性关系，使关系存在误差。在公式的推导过程中，将电压表的内阻近似为无穷大。而对上述公式化简时也进行了近似处

15、理，当时，公式化简为§6.2随机误差在本实验中主要由测量者引起，在测量热敏电阻温度特性过程中，当温度达到指定数值时，由于人为因素无法及时调节电桥达到平衡，致使测得的热敏电阻阻值不准确，从而使曲线存在误差。§6.3误差的减小由人主观引起的随机误差可通过多次测量取平均值减小误差。理论分析过程中近似处理产生的误差可通过调节各物理量的数值来实现。例如，可采用高内阻毫伏电压表，使其内阻。取较大的的值，使，这样，由理论分析带来的误差就可以减小。§7半导体温度计的校正在本实验设计中，由于误差导致测量的物理量不准确，绘制的曲线与真实的曲线有一定差距。导致在计算电源电压时出现偏差，

16、最终使毫伏表上显示的示数有偏差。为了消除这一偏差我们可以通过调节电压实现，由公式可知，与成正比，即公式可写为的形式（其中k为常量，仅由电阻的大小和物理属性决定）从公式可以看出，若使电压数值与温度数值相等，只要调节电源电压的大小使即可（调节E的大小直到），将传感器置于恒温源中，调节电源电压使毫伏电压表上显示的毫伏数值等于恒温源的温度。经过校正后的半导体温度计所显示的温度误差仅来自于理论分析和仪器误差，所以误差相对较小。§8实验设计注意事项1、线路必须连接正确，方可进行实验。2、电源输出电压不能高于电压表量程。3、温度控制器所监测的加热器内温度稳定后，方可进行测量。§9实验总结与感想1、 实验前一定要做好充足的准备。在实验之前，我们组充分了解了仪器的结构、实验的工作的原理，然后再设计进行实验，节约大量时间，提高效率。在着手开始项目之前，一定要有一个完整的规划，一个全面的准备，这样才能成功完成一个项目；2、 善于运用所学的知识解决实验过程中出现的问题，如运用逐差法消除致冷井温度测量的误差。善于参考和借鉴已有的研究成果解决问题，帮助改善并提高实验。做实验要秉着一种谦虚