用热敏电阻改装温度计大学物理设计性实验

评分：大学物理实验设计性实验实验报告实验题目：用热敏电阻改装温度计班级：姓名：学号：指导教师：实验7《用热敏电阻改装温度计》实验提要

实验课题及任务热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体。不同于导体的阻值——温度特性（温度升高，阻值增大），半导体热敏电阻的阻值——温度特性是当温度升高，阻值降低。产生这种现象的原因是由于半导体中的载流子数目随着温度升高而按数激烈地增加，载流子的数目越多，导电能力越强，电阻率就越小。热敏电阻温度计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。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。用半导体热敏电阻作为传感器，设计制作一台测温范围为40℃~80℃的半导体温度计。《用热敏电阻改装温度计》实验课题任务是：根据所学的知识，设计实验把所给的热敏电阻改装成热敏温度计。学生根据自己所学的知识，并在图书馆或互联网上查找资料，设计出《用热敏电阻改装温度计》的整体方案，内容包括：(写出实验原理和理论计算公式，研究测量方法，写出实验内容和步骤。)，然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果，按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。设计要求⑴通过查找资料，并到实验室了解所用仪器的实物以及阅读仪器使用说明书，了解仪器的使用方法，找出所要测量的物理量，并推导出计算公式，在此基础上写出该实验的实验原理。⑵选择实验的测量仪器，设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。⑶根据实验情况自己确定所需的测量次数。实验仪器惠斯通电桥，电阻箱，表头，热敏电阻，水银温度计，加热电炉，烧杯等实验所改装的温度计的要求（1）要求测量范围在40℃~80℃。（2）定标时要求测量升温和降温中同一温度下热敏温度计的指示值（自己确定测量间隔，要达到一定的测量精度）。（3）改装后用所改装的温度计测量多次不同温度的热水的温度，同时用水银温度计测出此时的热水温度（作为标准值），绘制出校正曲线。评分参考(10分)⑴正确写出实验原理和计算公式，2分。⑵正确的写出测量方法，1分。⑶写出实验内容及步骤，1分。⑷正确的联接仪器、正确操作仪器，2分。⑸正确的测量数据，1.5分。⑹写出完整的实验报告，2.5分。(其中实验数据处理，1分；实验结果，0.5分；整体结构，1分)学时分配实验验收，4学时，在实验室内完成；教师指导(开放实验室)和开题报告1学时。提交整体设计方案时间学生自选题后2~3周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求电子版。用电子邮件发送到指导教师的电子邮箱里。思考题如何才能提高改装热敏温度计的精确度？用热敏电阻改装温度计（电信06—1黄楚迪）一、实验目的：1、研究热敏电阻的温度特性；2、进一步掌握惠斯通电桥的原理及特点；3、通过试验后，会用热敏电阻改装温度计。二、实验仪器：惠斯通电桥，电阻箱，表头，热敏电阻，水银温度计，加热电炉，烧杯，滑动变阻器等。三、实验原理：1、测量未知电阻时，利用电桥法可以减小实验误差。如图1所示即惠斯通电桥的电路图（其中BD称为桥路，Rx、R1、R2、R3为四个桥臂）。GGRXR1IXR2R3I2I1I3IgK2K1EACBD图1惠斯通电桥原理图由于电桥采取将待测电阻与标准电阻相比较的方法，同时，作为作平衡指示器的检流计只用来判断有无电流，并不需要提供读数，具有较高的灵敏度，因此用它测量电阻，能得到较为准确的数据。当电桥平衡时，B、D两点的电位相等，根据两端为等电势的电路中不会存在电流的事实，图中跨越在B、D间的检流计G用来判断这两点是否为等电势。闭合开关K1、K2，如果检流计示数为零值，桥路电流Ig=0，桥路达到平衡，有UB=UD,UAB=UAD,UBC=UDC（1）由于Ig=0,所以I1=IX,I2=I3（2）有I1R1=I2R2，IXRX=I3R3（3）可得RXR2=R1R3（4）或RX=（5）式（5）即为惠斯通电桥的平衡条件，也是用来测量未知电阻的原理公式，根据它的形式，我们称RX为待测电阻，欲测RX，只要选择恰当的R1、R2、R3阻值，使电桥平衡，就可用式（5）求得其阻值。这个关系式是由“电桥平衡”推出的结论。反之，也可以由这个关系式推证出“电桥平衡”来。由于要用热敏电阻改装成温度计必须知道热敏电阻的温度特性,所以可以用平衡电桥来测出不同温度下热敏电阻的阻值。2、设计热敏电阻温度计的电路如下图（图2热敏电阻温度计）所示。μμARTR3RORNRMR2R1K2K1在电桥平衡测量时，由式(5)知有关系式。非平衡测量时，有测量桥路电压、测量桥路电流等多种形式，本实验采用测量桥路电流的方法。电桥电路如图2所示,RT为热敏电阻,R1、R2、R3为恒定电阻,RO、RM为可调变阻箱。取R2＝R3（即倍率为1），R1值等于测温范围最低温度（40℃）时热敏电阻的阻值。RO是对微安表进行定标时用的。由于半导体热敏电阻的温度特性是当温度升高,阻值降低.产生这种现象的原因是由于半导体中的载流子数目随着温度升高而增加,载流子的数目越多,导电能力越强,电阻率越小。因此若温度越高，热敏电阻RT的阻值就越小，通过表头的电流就越大。这样就可通过表头电流示值的大小来表征温度的高低。因为在40℃时，RT＝R1，R3＝R2，由惠斯通电桥原理可知此时电桥平衡，微安表指示值为零。因为温度越高，RT值越小，通过微安表的电流越大。反过来通过微安表的电流越大，表示热敏电阻RT上的温度越高，因此可以通过定标后的微安表示值的大小来测出温度的高低。定标时先用一张大小适中的白纸贴在表头上，如图2所示接通电源合上K1后，先把K2接在RO端，调节RO的阻值等于热敏电阻在40℃时阻值的大小，在纸上记下微安表此时指针所指的位置（定为改装温度计的下限40℃）。调节RO的阻值等于热敏电阻在80℃时的阻值，调节RM使微安表指示满刻度，记下指针所指的位置（定为改装温度计的上限80℃）保持RM的值不变，然后从40℃开始每隔5℃调节RO的阻值等于对应热敏电阻所在温度时的阻值，分别在纸上记下对应温度下指针所指向的位置，把纸上代表40℃到80℃之间平分为41格，每格代表一度。定标后固定标好刻度的纸在微安表上，把K2接在热敏电阻上，随着热敏电阻阻值的变化，改装后的微安表的示值也相应的发生变化，即测量时指针在纸上所对应的刻度大小就是水的温度。热敏电阻的电阻—温度特性曲线如下图所示：可以看出其阻值随温度升高而很快变小，用它来设计温度计是很灵敏的。四、实验内容与步骤：1、电阻—温度特性测定1、用热敏电阻代替图1所示惠斯通电路中的RX后接通电源，合上开关（先合K1，再合K2）。2、首先校准检流计的机械零点。3、把热敏电阻放入烧杯中，用加热电炉加热烧杯中的水，并用水银温度计测量水温。4、选择恰当的倍率（的值），接通电源，通过调节R3的阻值，使电桥平衡，记录R3的阻值，逐步升高水温，测出不同温度下的热敏电阻阻值。5、从40℃开始，每隔5℃测量一组数据，读取不同温度时的观察数据，直到80℃为止。6、从80℃开始逐步降低水温，每隔5℃测量一次数据，直到40℃为止。7、算出升降温时各温度下R3的平均值，根据式（5）算出对应温度下热敏电阻的阻值。8、根据测得的数据绘制热敏电阻的电阻—温度特性曲线图。2、用热敏电阻改装温度计1、按图2接好电路，先将K2接在RO上，取R2＝R3，R1值等于测温范围最低温度（40℃）时热敏电阻的阻值。调节RM使RO的值等于热敏电阻在80℃时的阻值时，微安表指针满偏。保持RM不变，通过调节RO的阻值等于不同温度下热敏电阻的阻值（40℃到80℃），对微安表进行定标。2、定标后保持电路中各电阻阻值不变，把K2接在热敏电阻上，把热敏电阻放在烧杯中加热,并用水银温度计测量水温。热敏电阻在40℃时，因为RT＝R1，R3＝R2，电桥平衡，微安表指示为零。测量时，观察水银温度计,从40℃开始到80℃为止,每隔5℃读取微安表的指示值并与水银温度计的值比较。升降温各测一次。3、温度校正1、用改装后的热敏电阻温度计测量多次不同温度的热水的温度，从40℃到80℃水银温度计每隔4℃读取一个对应温度下热敏温度计的指示值，分别记下用水银温度计和热敏温度计测的数据，将水银温度计测出的热水温度作为标准值。2、根据测得的数据绘制出温度校正曲线图。作图时以热敏温度计的指示值作为横坐标轴，以偏差作为纵坐标轴。4、注意事项：1、接通电源前，电阻箱须调到预计值，以防通过检流计的电流过大，损坏检流计。2、B、G开关应短时间接通（一般以3秒为宜），通电时间长会导致电阻发热，引起阻值变化，接通时间过短会使测量数据误差过大。3进行试验时动作要迅速，以防水温发生变化，导致试验误差过大。五、试验数据处理与分析1、试验数据记录表1电阻—温度特性测定数据表水银温度计观测数据各温度下平衡电桥中R3的电阻值倍率各温度下热敏电阻阻值T（℃）R3RT升温降温平均值405215518451981519845445544774466144665038963864388013880553364334033521335260288628942890128906525262528252712527702180222422021220275193019181924119248016721710169111691表2温度校正数据表水银温度计观测数据T（℃）4044485256606468727680热敏电阻温度计观测数据Tt（℃）40．244.748.451.655.760.263.268.672.175.779.5偏差△t（℃）Tt-T0.20.70.4-0.4-0.30.2-0.80.60.1-0.3-0.52、数据处理1、根据表一的数据绘制热敏电阻的电阻—温度特性曲线图。2、根据表2的数据绘制温度校正曲线图。试验结果：改装后的热敏电阻温度计能较为准确的测出改装范围内的水温，但某些点的误差较大。思考题：如何才能提高改装热敏电阻温度计的精确度？答：用电桥测量热敏电阻的阻值时，应迅速找出平衡点、缩短测量时间；适当选定测量温度的间隔。具体方法为：要测热敏电阻在某一温度时的电阻时，在水温接近这点时先调电桥平衡，待水温达到需要的温度时再进行微调即可。心得体会：通过实验，我觉得做好一个实验不仅要有扎实的理论基础，也必须具备一定的动手能力。同时做好一个实验也要有耐心。通过本次实验，我对热敏电阻的温度特性和惠斯通电桥原理及其运用有了进一步的了解。并学会了如何运用热敏电阻改装成温度计。通过试验我还发现了以下一些问题：1、测量时操作一定要迅速，否则测出的数据误差较大。2、热敏温度计的阻值