《制冷与低温测试技术》课件chapter2-4电势电阻测量及半导体二极管温度计和电容温度计

1、半导体二极管温度计 利用二极管在稳定的正向电流的条件下，正向电压随温度的降低而增加的原理而制成的。正向电压对电流较敏感，因此必须注意电压引线的极性。 1、半导体二极管温度计的性能 砷化镓二极管温度计在1400K温度范围内显示出近似的线性关系，灵敏度足够高。砷化镓p-n结二极管温度计在低温时灵敏度稍差，但是复现性较好。 对于硅的灵敏度，在4.2K时为5.0mV/K，在77K时为2.75mV/K。硅p-n结二极管温度计灵敏度和复现性较好。 锗p-n结二极管温度计在20100K温度范围内电压降随温度变化曲线是光滑的，而在20K以下灵敏度突然升高。可是经室温至低温多次冷热循环之后复现性不好。 半导体二

2、极管温度计有如下的优点：(1)可在1100K温度范围测量；(2)和半导体电阻温度计相比，受磁场影响较小；(3)作为温度计的半导体二极管比较容易得到；(4)价格便宜。 缺点是：(1)复现性差；(2)体积大；(3)不能作点的温度测量。 作为温度计用的二极管，需要有密封套装置，抽真空后充氦气。这样可得到较好的稳定性和较短的反响时间。 2、半导体二极管温度计的电压降和温度关系式 锗、硅和砷化镓p-n结二极管温度计已有商品生产，可在1400K宽的温度范围使用，通过准确的分度重复性可达0.01K，但是在整个温度范围还没有一个理想的插补公式。 一个简单描述p-n结二极管温度计电压降和温度的关系，适用于1.5

3、300K的温度范围。当温度计的工作电流不变时，电压降和温度关系的插补公式为： 常数由5个不同温度下的电压降来确定。二、电容温度计 电容温度计的原理是利用电容器介质的介电常数随温度有显著的变化，使得电容器的电容值随温度有显著的变化。 电容温度计用钛酸锶(SrTiO3)结晶玻璃，这种材料在液氦温度下显示出介电常数随温度有较大的变化。电容器由51层521mm的薄片构成，每一薄片都由玻璃介质和金-铂合金电极组成。介质薄片的厚度为0.025mm。在4.2K时电容器总电容值为20nF左右。 C=C1+C2+C3+Cn 多电容并联1、电容温度计的性能 电容温度计的最大特点是不受磁场的影响，即使在15T的强磁

4、场下，影响也仅在1mK之内。这种性质对于研究超导强磁场工作，是最迫切要求解决的。 在0.172K的温度范围，相应的电容为1119nF，在这个温度范围内，电容随温度的增高而单调增大。在5.2K以下电容和温度关系是线性的。在线性范围内，其灵敏度很大，大约为250pF/K。在液氦温度下自热很小，大约是70pW，并随温度的降低而降低，热响应时间快，重复性为13mK左右。当把电容温度计浸入液氦时发现电容值漂移。没有套管保护时，氦气渗透对温度计会有影响。若将组件密封在铂壳中，并采用银引线之后，可降低瞬时电容漂移对测量的影响，因而可以显著地改善重复性。 电容温度计的优点是：(1)对磁场的影响不灵敏，这是现在

5、各种电阻温度计，热电偶温度计或其他温度计所不能相比的；很适合于超导磁体等强磁场环境中测量。(2)有较高的灵敏度；(3)自热效应小，且随温度降低而减小（在20 K时发热为100微微瓦，2 K时为50微微瓦）；(4)热响应时间快；(5)有较好的机械性能。缺点是：(1)稳定性不好；(2)存在瞬时电容漂移。 （将电容温度计封装与铂壳中，显著提高电容漂移特性）2、电容温度计的电容和温度关系式 电容温度计在0.130K温度范围使用，有如下的电容和温度关系式：常数A、B可通过测量两个温度点的电容值来确定。在2-50 K温区时，也可由4次多项式。热电势和电阻的测量制冷与低温测试技术主讲人：张小斌 ，博士,副教

6、授 甘智华，博士，教授（玉泉校区）低温楼405室879513196，浙江大学制冷与低温研究所 热电偶产生的热电势随着温度远离参考点温度而增大，高温热电偶产生的热电势较大，而低温热电偶的灵敏度随温度降低而变小，最大量程只有几个毫伏，工业上常用毫伏表做热电偶温度计的显示仪表，毫伏计准确度一般不高，（1.0级），但结构简单，价格低廉，维修方便，毫伏计实际上是一种动圈式仪表。 读数受环境温度和线路电阻影响较大，测量精度不高，不宜用于精确测量。一、热电势毫伏计测量 电位差计相比于毫伏计，可以大大减小环境及线路电阻产生的误差，在实验室和工业生产中得到广泛应用。 电位差计的原理是用一个已知的标准电压与被测电

7、势相比较，平衡时两者差值为零，被测电势等于标准电势。这种测量方法也称补偿法或零值法，产生标准直流电压的常用线路由分压线路和桥式线路两种。一、热电势电位差计测量直流分压线路和电位差计原理基尔霍夫电压定律(JVL)一、分压线路电位差计的特点是，通过热电偶以及连接导线的电流等于零，因而热电偶以及连接导线的电阻即使有些变化，不会影响测量结果，可提高测量的准确度，这点与毫伏计测量方法不同。但要注意，热电偶连接线路的电阻不能太大，否则会使热电偶支路中的不平衡电流变得很小，以致使检流计指示不出偏差，这样会降低测量的灵敏度和准确性。手动电位差计精确度决定于检流计，仪表稳定和准确的各电阻器的电阻值及稳定的标准电

8、压常用标准电压。手动电位差计的最小读数可达0.01uV.手动电位差计由于标准电池和标准电阻的准确性很高，配上高灵敏度的检流计，所以电位差计可得到较高的测量精度。标准电压很稳定，但随温度变化而有些改变，常用的标准电池在200C 时电势值为：1.0186V（准确度达0.01%），如室温变化可用下式修正：注意：标准电池不允许通过超过1uA的电流。 一般电流灵敏度高的检流计，绕制动圈的线径很细，匝数很多，因此内阻和外临界电阻都很大，这样为使检流计有一定的偏转，必须有较高的推动电压，即电压灵敏度降低了。 检流计结构原理例如通过选用直流复射式检流计中电流灵敏度较高的AC15/1，电流灵敏度约为3*10-1

9、0A，目测零点位置明显偏差为0.5格，相当于1.5*10-10A，AC15/1检流计的外临界电阻加内阻约为100 Kohm,相当于要给检流计15uV的推动电势，也就是说在液氮温度，T型热电偶的灵敏度为16 uV/K，当温度变化约1K时才能发现检流计失去平衡，现任检流计的灵敏度太低了。如果不用外临界电阻，检流计的内阻为1.5 kohm，推动电压相当于0.2 uV，电压灵敏度虽然高了，但检流计大大过阻尼，反应极慢无法应用。二、桥式线路电阻的测量平衡电桥原理从ABC半个桥看，流经R1的电流 R1两端压降：R3两端压降：电桥输出电压：由上式可知，当R1R4=R2R3时，则电桥U0=0,则称电桥处于平衡状态。 设处于平衡状态的电桥各桥臂由电阻增量为R1、R2、R3、R4则电桥的输出电压为：若将平衡条件R1R4=R2R3代入上式，并考虑R1 R1略去高阶微量，则电桥的输出电压为：若R1=R2,则：热电偶的补偿电路。 对于以热电偶为感温元件的数字式温度计，由于热电偶必须要有一个固定的参考点温度，在电路上设置桥式电路，把热电偶的测量臂和用于室温变化补偿的铜电阻分别接在电桥的相邻二个臂上，室温变化对热电偶的影响相互抵消，因此此类仪表把室温作为固定参考点温度，从而省去了固定室温，室温变化引起的热电势变化得到补偿。补偿电阻电阻的测量：1）直流电桥法消除了引线电阻C1和C