补充讲义仿真实验-温度计的设计

实验38-b 仿真实验－温度计的设计

1 实验目的

1．了解半导体温度计的基本原理，并设计制作半导体温度计； 2．了解非平衡电桥的工作原理及其在非电量电测法中的应用。

2 实验仪器

微型计算机、大学物理仿真实验软件。

3 实验原理

半导体温度计是利用半导体电阻随温度的变化而发生急剧变化的特性而制作的。因而测量半导体温度计的阻值就可以确定其温度。这种测量方法通常叫做非电量电测法。半导体热敏电阻的电阻值与温度的关系为：

R?Ae?B/T，其中，A 、B 为与半导体热敏电阻有关

的常数，T 为绝对温度。电阻－温度的特性曲线为：

由于采用非电量的电测法测量半导体材料的阻值，因此还需要了解半导体热敏电阻的伏安特性，其伏安特性曲线如右图所示：在刚开始的一段特性曲线a是线性的，这是因为电流小时，在半导体材料上消耗的功率不足以显著的改变热敏电阻的温度，因而，这一段符合欧姆定律，当电流增加到使热敏电阻的阻值高于周围介质的温度时，其阻值就下降，于是伏安曲线是bc 段。要使热敏电阻用于温度测量，必须要求其阻值只随外界温度的改变而改变。与通过它的电流无关。因此其工作区域必须在伏安曲线的直线部分。实验电路如图所示：图中G为微安表、RT为热敏电阻，当电桥平衡时，微安表指示为0。此时满足

R1R3。若取R1＝R2，则R3的数值即为RT

?R2RT的数值。

平衡后的电桥，若其中某一臂的电阻发生变化

（如RT) , 则平衡将受到破坏，微安表中将有电流通过。若电桥电压、微安表内阻Rg、电桥各臂电阻R1、R2、R3固定，则可以根据微安表的读数Ig的大小计算出RT，再根据热敏电阻的电阻－温度特性曲线，测量其对应的温度值，实现对温度的测量。因此，为使半导体热敏电阻阻值标志温度值，实验中首先要选定电路中E、R1、R2、R3各量，选定方法如下：

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根据所设计半导体温度计的测温范围T1～T2，由热敏电阻－温度特性曲线，查出对应的热敏电阻阻值的下限值RT1和上限值RT2，当热敏电阻阻值为RT1时，使电桥处于平衡状态就是热敏电阻处在测温量程下限温度的电阻值。当温度增加时，热敏电阻的电阻值就减小，电桥出现不平衡，在微安表中就有电流流过。当热敏电阻处在测温量程的上限温度电阻值RT时，要求微安表读数为满刻度。

若流入热敏电阻RT中的电流IT 比流入微安表内电流Ig大的多（IT>>Ig）则电桥两端电压：Vcd≈IT(R3＋RT）．取RT=RT1时，热敏电阻的最大工作电流IT即可决定Vcd和电源E。由电桥电路和基尔霍夫方程组，可以得到：

实验连接电路图

RT2R2?)R1?R2R3?RT2Ig?

R3RT2R1R2Rg??R1?R2R3?RT2Vcd(由于R1=R2、R3＝RT1，则：

R1?R2?2Vcd1RT1RR(?)?2(Rg?T1T2) Ig2RT1?RT2RT1?RT2一般加在电桥两端上的电压Vcd比所选定的电池电压低，为保证电桥两端所需的电压

值，通常在电源上串接一个可变电阻R，其电阻值根据电桥中总电流来选择。

4 实验内容

1. 设计制作测量温度范围为20℃～70℃的半导体温度计。 2. 对半导体温度计进行定标

对对半导体温度计进行定标，首先从热敏电阻的电阻－温度特性曲线上读出温度。从20℃到70℃，每隔5℃读一个电阻值，用标准电阻箱R4逐次选择前面所取的电阻值，读出微安表的电流读数I，并记录数据。

根据数据，将表盘读数改为温度的刻度，并做出I－T的曲线与表盘刻度比较。 再将实际热敏电阻代替标准电阻箱，此即经过定标的半导体温度计。

5 实验指导

（一）实验步骤

1. 点击仿真实验页面上的“温度计设计”实验。

2. 在打开的程序界面中，右键点击，并选择“仪器背面”，在里面进行相应的电路连线。

（注：线路连接图在“仪器背面”的左上角，点击“显示电路图”即可）。

3. 按线路图连接好相应的电路，如果连线正确，则双击电池电源的位置将会出现一个

电池，如果无法出现电池则说明线路连接有误，则应检查连线，直至正确为止。

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4. 线路连接好后，应调节线路中R1和R2的值，方法为：在程序的空白处右键点击，

在弹出的界面中选择“万用表”，打开其电源，并在“万用表”上选择“将万用表连接到R1”，调节R1及其微调旋钮，使万用表显示值为“4853”，接着在“万用表”上选择“将万用表连接到R2”，调节R2及其微调旋钮，使万用表也显示为“4853”，至此，R1和R2阻值调节完毕，然后在“仪器背面”上双击“表头插线”，将其接上。

5. 接下来调节电路中R3的阻值，方法为：先在程序的空白处右键点击，在弹出的界面

中选择“电阻箱”，并将电阻箱阻值调至2597Ω。

接着在程序的空白处，右键选择打开“仪器正面”和“仪器背面”两界面，调节“仪器背面”的R3，使得“仪器正面”的表头指示在“0”处。（注：由于测量值超出仪器量程时，仪器表头是没变化的，所以，此时应左右调节R3，直至观察到表头指针出现摆动后，再仔细调零。）

接着调节电位器R的阻值，方法为：调出电阻箱界面，将其阻值调成488Ω，然后选择“仪器正面”程序界面，并在该界面上右键选择“将仪器连接到电阻箱”，左右调节“仪器正面”界面上的电位器R，使表头满刻度。（注：由于测量值超出仪器量程时，仪器表头是没变化的，所以，此时应左右调节R，直至观察到表头指针出现摆动后，再仔细调节至满刻度。）

6. 接着调节R4的阻值，方法为：在“仪器正面”界面上，旋转开关K至“2”的位置，然

后在“仪器背面”上，左右调节R4，使“仪器正面”的表头满刻度。（注：同上） 7. 以上调节后，开始进行数据测量，方法：将“仪器正面”上的开关K旋转至“3”的位置，

然后打开“电阻箱”界面，此时的阻值应为“488Ω”，接着在程序的空白处右键点击，在弹出的界面中选择“数据处理”，选择70℃的位置，并点击“记录数据”，则此时就记录下一组数据，

根据“实验简介”中“重要数据”里的电阻－温度关系表，在20℃～70℃范围内，每隔5℃，选择出其温度对应的阻值，将电阻箱的阻值调节成该阻值，逐步记录下每组温度对应的阻值及其表头读数。全部11组数据记录完成后，点击“重绘表头”，此时，“仪器正面”上的表头刻度将会有所变化。

最后将11组数据记录到纸质的实验表格中，实验结束。

（二）注意事项

1. 调节过程应有耐心，实验步骤应仔细阅读，按顺序操作。 2. 仿真实验程序中有详细的原理及内容说明，应仔细阅读。

6 实验数据处理

（一）数据记录表格 温度值 20℃ 25℃ 30℃ 35℃ 电阻箱值 对应表头值 3

40℃ 45℃ 50℃ 55℃ 60℃ 65℃ 70℃ （二）数据处理要求

根据实验数据，画出热敏电阻的阻值－温度关系图，即R－T图。

7 思考题

在实验中，为什么要调节R、R1、R2、R3和R4的值？而且，在调节R3和R时，为什么要把电阻箱的阻值调成2597Ω和488Ω？

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