热敏电阻温度计的设计安装和使用
大学物理实验
热敏电阻温度计的设计安装和使用
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热敏电阻温度计的设计安装和使用
作者：** 指导教师：**
摘要：利用热敏电阻作为感温元件，并且配有温度显示安装的温度测量仪表称为热敏电阻温度计。热敏电阻能把温度信号变成电信号，从而实现了非电量的（电测法）测量。本实验通过利用热敏电阻作为感温元件与非平衡电桥法相结合来共同设计和安装一台热敏温度计，并对这台温度计的测量误差进行简要的测试和评价。而在现代测量技术中，电量测量是最简单的测量技术，不仅测量装置简单、造价低、灵敏度高、而且容易实现自动测量和自动控制，是测量技术的一个重要发展趋势。 关键字：热敏电阻 非平衡电桥 温度计 校准 替代法
一、 实验原理
1.负温度系数热敏电阻的温度特性
热敏电阻按其温度特性可分为正温度系数型、负温度系数型及开关型三大类。其中负温度系数热敏电阻器主要是以有半导体性质的金属氧化物为原料，采用陶瓷工艺制成的，当温度低时，载流子数目少，因此阻值高；温度高时，载流子数目剧增，因此阻值剧下降，如右图。其方程可表示为：
RT Ae （1）
B
T
T
式中的A、B是与材料有关的常数。由式（1）看出，Rt是T的单值函数，只要测出电阻的Rt的变化就能推测出温度T的变化。
2.非平衡电桥
非平衡电桥电路如图1-1所示，当R1=R2及R3=Rt时，电桥平衡，G值为零。如果Rt的阻值发生变化，则电桥的平衡条件被破坏，G中就有电流通过，指针发生偏转，偏转越大，说明Rt变化也越大。
根据桥路的基尔霍夫方程，可知在R1、R3、Rg及Ucd恒定条件下，Ig的
大小唯一由Rt来决定，因而有可能根据G的偏转的大小来直接指示的温度的高低。 图1-1
3.热敏电阻温度计的实验电路
如图1-2所示，温度计的实验电路图与图1-1所示的原理图相比有三点不同： （1） 增加一个发光二极管LED，作为电源指示，它的工作电压为
2~3V。
（2） 检流计G换成微安表头。
（3） 在bd之路中增加了一个“校准”之路，当S2扳至“校”时，
温度计处于“校准”状态。当S2扳至“测量”状态。S2是该仪表的状态选择开关。
图1-2 4.电路参数的设计与计算
由图1-2电路中需要的设计计算的参数有四个： （1） Ucd的确定
Ucd是电桥的工作电压，既不能过高，也不能过低。过高会使Rt产生自热现象，从而使被测环境的升高；过低则无法使微安表达到满偏。根据本实验中所用Rt的额定工作电流及微安表的量程，Ucd可以在1.1~1.4V之间确定一个值。
（2） 温度计上限下限的设定
本实验温度计的上下限分别设为20℃和70℃，及测温范围是有t1到t2，t1为下限（环境温度为20℃），t2为上限（环境温度为70℃）。
（3） R3的确定
R3的大小与温度计的下限t1有关。确定R3大小的原则是，当热敏电阻处于温度t1时，微安表因指零。这样，在R1=R2的条件下，R3必须等于Rti
及 R3=Rt1 （2）
（4） R1(R2)确定
在非平衡电桥的参数设计下，一般设R1=R2，使之构成一个对称电桥。另外，其还与许多因素有关，比如测量范围，微安表的内阻Rg，微安表的满偏电流Igm，桥路地工作电压Ucd等。
若温度计的测量上限为t2，在这一温度下，热敏电阻的阻值为Rt2，微安表应满偏 及 Rt=Rt2
Ig=Igm （3） 将式带入得：
Igm=
(Rt1-Rt2)Ucd
2(RgRt1+Rt1Rt2+Rt2Rg)+R1(Rt1+Rt2)
(Rt1-Rt2)Ucd2(RgRt1+Rt1Rt2+Rt2Rg)R1=-
(Rt1+Rt2)IgmRt1+Rt2
上式中的Rg和Igm由实验室给出。
（5）R4的确定
给温度计通电进行温度测量前，必须将S2扳至“校”，目的是校准工作电压Ucd，使其刚好等于设计值。“校”的目的也是为了校准刻度值，使Rt=Rt2时，Ig=Igm，与式（3）相符。一般做法是将R4的值固定为Rt2，这样，当S2扳至“校”时，就相当于把感温元件置于温度t2的温度场中，此时微安表满偏。如果未至满偏，则说明Ucd未能达到设计值，需要仔细旋转R，直至满偏，这一步完成后才能进行测量。
5.制作定标曲线
将电路中各元件安装完成后，就可以进行测量了。但微安表指示值是电流值而不是温度值。所以的通过定标实验来描绘出一条定标曲线，如图1-3所示。有了定标曲线，就可以找到与任一电流Igi相对于的温度值ti，或者根据定标曲线，在刻度盘上直接按温度来标定。这样，指针的偏转既能显示电流值，又能显示温度值。
gi
Ig/ A
ti
6.测量操作程序 图1-3 使用热敏电阻温度计测量温度，应按下述程序操作： （1） 通电 （2） 校准 （3） 测量
二、 实验仪器
1. 热敏电阻温度计实验安装版。
2. 感温元件（负温度系数热敏电阻器一只，并附其温度特性曲线）。 3. QJ23直流电桥箱一台。 4. 标准电阻箱一台，
5. 水银温度计和体温计各一支。 6. 烧杯一个。
三、 实验方法
1. Ucd的确定
由于Ucd是有范围的，且为1.1~1.4V，所以可以选择Ucd为1.2V。
2. 计算出R1(R2)的值并且把它们分别调至到设计值. （1） R1(R2)值得计算
根据负温度系数热敏电阻器其温度特性曲线可知在温度为20℃、70℃时Rt1和Rt2的值分别为4213Ω和685Ω，即Rt1=4213Ω，Rt2=685Ω。
又由实验仪器上的标注可知Rg=3273Ω，Igm=50μA。
再由式 ( R t R t2 ) U cd -1
可计算的R1=R2=9582Ω （2） 调至R1(R2)值为设计值
用两根导线，两头分别连接R1和QJ23直流电桥箱。 先在QJ23直流电桥箱上设定已经计算出的R1的值9398Ω，并把灵敏度调至最低点。之后先调节下R1，使其值比较接近其理论值。再打开QJ23直流电桥箱，将电阻调节到9582Ω，然后不断调节R1，使最终QJ23直流电桥箱上的微安表指针指向中间为止，如右图。
调节R2值则和R1方法相同。 （3） 调节R3的值
由实验设计方案可知，R3的值为温度在20℃时Rt
的值，根据负温度系数热敏电阻器其温度特性曲线可知在温度为20℃，Rt=4213Ω。
在R1、R2调节好的基础上，用两根导线分别连接热敏电阻温度计实验安装版上的R3和标准电阻箱两头。先在标准电阻箱上调节好计算出的R3值，即4213Ω。再打开热敏电阻温度计实验安装版电源开关，并不断调节R的值，直到热敏电阻温度计实验安装版上的微安表的指针指向零时为止，此时R3的值就是计算出来的值。（在测量时要快速，以免打坏指针）
（4） 调节R4的值
由上述设计方案可知，R4的值为温度在70℃时Rt的值，及Rt=685Ω。
（1） 图1-2中，用标准电阻箱R0代替感温元件Rt，首先将S2扳至“测”，调节R0=Rt，再
调节R使微安表满偏。然后，S2扳至“校”，利用“替代法”的原则，将R4调到与R0值相等。
（2） 另一方法同R1的调节方法
Igm=
2(RgRt1+Rt1Rt2+Rt2Rg)+R1(Rt1+Rt2)
(Rt1-
Rt2)Ucd2(RgRt1+Rt1Rt2+Rt2Rg)
R1=-
(Rt1+Rt2)IgmRt1+Rt2
3. 定标实验
由上述实验步骤做完之后，应用特定曲线的到不同温度下Rt的值，再应用标准电阻箱，按表1数据描绘出定标曲线，在其不同的Rt值中测定出微安表中的电流值，并记录。再根据其数据做出定标曲线。
4. 误差校验
应用电阻温度计和水银温度计测量同一温度的水温。
四、 实验结果与分析
1. 由上述第三步的下表2数据
表1 定标实验数据表
由表2做出定标曲线图1-4
2. 由误差校验得出在同一水温中，水银温度计度数T=49.5℃，微安表度数I=32.5μA 。 根据图1-4标准曲线可读出在I=32.5μA时，对应的温度t=49.9℃ 可知其相对误差为
E=
t-t0
×100%=0.80% t0
3. 误差分析
由于此次试验用的热敏电阻温度计实验安装版上的R1、R2、R3、R4不能精确的调节，只能大致范围的调节下其值，所以造成得出的电阻值不精确，从而产生出误差。
五、 实验结论
由其相对误差可知此次组装的热敏电阻温度计基本上是准确的，和实际误差不大。
六、 参考文献
[1] 邱晓燕，冯一民. 热敏电阻温度计的设计与制作[J]. 大学物理实验, 1995,(01)
[2] 张明华，罗於静，黄永文. 热敏电阻材料系数β的测量及其误差分析[J]. 重庆师范学院学报(自然科学版), 1995,(02)
[3] 陆申龙, 曹正东. 热敏电阻的电阻温度特性实验的教与学[J]. 物理实验, 1998,(03)
[4] 李学慧，高峰，孙炳全，杨桂娟. 热敏电阻温度计的设计与制作[J]. 大学物理实验, 2005,(01)