02 熱敏電阻溫度特性研究實驗 大學物理基礎實驗報告 預習報告

半導體熱敏電阻特性的研究（平衡電橋）熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現出不同的電阻值。按照溫度系數不同分為正溫度系數熱敏電阻器（PTC）和負溫度系數熱敏電阻器（NTC）以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）。正溫度系數熱敏電阻器在溫度越高時電阻值越大，常見的正溫度系數電阻有BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體；負溫度系數熱敏電阻器在溫度越高時電阻值越低，該電阻材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結等工藝而成的半導體陶瓷。熱敏電阻的主要特點是：①靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復雜的形狀，可大批量生產；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強。因此，它在測溫技術、無線電技術、自動化和遙控等方面都有廣泛的應用。一、實驗目的1．了解熱敏電阻的電阻---溫度特性和測溫原理2．掌握惠斯通電橋的原理和使用方法二、實驗原理1．半導體熱敏電阻的電阻-溫度特性半導體熱敏電阻的基本特性是它的溫度特性，而這種特性又是與半導體材料的導電機制密切相關的。由于半導體中的載流子數目隨溫度升高而按指數規(guī)律迅速增加。溫度越高，載流子的數目越多，導電能力越強，電阻率也就越小。因此熱敏電阻隨著溫度的升高，它的電阻將按指數規(guī)律迅速減小。實驗表明，在一定溫度范圍內，半導體材料的電阻RT和絕對溫度T的關系可表示為（1）其中常數a不僅與半導體材料的性質而且與它的尺寸均有關系，而常數b僅與材料的性質有關，T取絕對溫度。定義電阻溫度系數為：（2）按照溫度系數不同分為和負溫度系數，正溫度系數熱敏電阻在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數熱敏電阻在溫度越高時電阻值越低。（1）式中常數a、b可通過實驗方法測得。常利用多個T和RT的組合測量值，通過作圖的方法（或用回歸法最好）來確定常數a、b，為此?。?）式兩邊的對數。變換成直線方程：（3）或寫作式中，然后取X、Y分別為橫、縱坐標，對不同的溫度T測得對應的RT值，經過變換后作X～Y曲線，它應當是一條截距為A、斜率為B的直線。根據斜率求出b，又由截距可求出a＝eA。確定了半導體材料的常數a和b后，便可計算出這種材料的電阻溫度系數（4）顯然，半導體熱敏電阻的溫度系數是負的，并與溫度有關。2．用惠斯頓電橋測量半導體熱敏電阻惠斯頓電橋的原理圖如圖1所示，四個電阻R0，R1，R2，Rx組成一個四邊形，即電橋的四個臂，其中Rx就是待測電阻。在四邊形的一對對角A和C之間連接電源，而在另一對對角B和D之間接入檢流計G。當B和D兩點電位相等時，G中無電流通過，電橋便達到了平衡。平衡時必有（5）R1、R2和R0都已知，Rx即可求出。

圖1.實驗原理圖電橋屬于非常靈敏的原件，電橋靈敏度的定義為：（6）其中，R0是電橋平衡時比較臂的電阻，ΔR0是在電橋平衡后R0的微小改變量，Δn越大，說明電橋靈敏度越高。三、實驗儀器箱式惠斯通電橋，控溫儀，熱敏電阻，直流電穩(wěn)壓電源四、實驗內容1．求電橋靈敏度：本實驗中為測量電橋靈敏度，可以先調電橋至平衡得R0，改變R0至R0+ΔR0，使檢流計偏轉10格，求出電橋的靈敏度；再將R0改變?yōu)镽0-ΔR0，使檢流計向反方向偏轉10格，求出電橋的靈敏度，取兩次的平均值。2．測量熱敏電阻的溫度特性接好電路，安置好儀器。在容器內盛入水，開啟加熱裝置對水加熱，使水溫逐漸上升，溫度由自動溫控儀控制。熱敏電阻的兩條引出線連接到惠斯通電橋的待測電阻RX二接線柱上。測試的溫度從室溫開始，每增加5℃，作一次測量，直到70℃止。停止加熱，使水慢慢冷卻，測量降溫過程中，測量各對應溫度點的Rt。將升溫和降溫過程中，對應同一溫度T對應的Rt取平均值，繪制熱敏電阻RT-T特性曲線。由電阻的溫度系數定義式，在T=50℃的點作切線，求出該點切線的斜率、T＝50℃點的電阻溫度系數。作ln