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2014大学生物理实验研究论文热敏电阻特性摘要：温度是表征物体冷热程度的物理量，一般只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。温度传感器就是将温度信息转换成易于传递和处理的电信号的器件，在日常生活、工业生产以及研究领域都有着广泛的应用。温度传感器的种类很多，包括电阻式传感器、半导体传感器、热电式传感器、光纤温度传感器等。本课题要求同学设计实验研究部分温度传感器的温度特性，了解其测温原理，并比较不同温度传感器的特点和适用条件。本次试验主要是初步研究热电阻的一些特性。具体为热电阻在不同温度下的不同电阻的测量。关键词：热电阻；电阻值；温度。本实验主要研究热敏电阻的温度特性，具体包括三种电阻，分别为NTC,PTC以及金属电阻Cu50.切本实验以Pt100铂电阻为参考的测量温度的标准电阻。通过对不同温度时刻三种电阻的阻值的测定从而得出具体的三种电阻阻值随温度变化的曲线。一、实验目的1.1以Pt100作为标准测温器件来定标实验室中的NTC温度传感器，温度范围控制在室温到100℃之间。基于实验数据给出该器件的电阻温度曲线，并研究温度系数随温度的变化关系1.2用类似的方法研究PTC的电阻温度关系，结合实验数据寻找实验室提供的PTC器件的电阻温度关系的经验公式，并研究其温度系数，可参考文献[1]。1.3自行设计实验，研究热敏电阻的内热效应对实验结果的影响二、实验原理利用导体电阻随温度变化的特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0~630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为Rt=R0(1+αt+βt2)，其中R0是温度为0°C时的电阻。本实验R0=100Ω，α=3.9684×10−2°C−1，β=−5.847×10−7°C−2，铂电阻使用三引线，其中一端接二根引线，主要为消除引线电阻对测量的影响。2.1.1铂电阻的温度特性1．铂电阻将直径为0.02～0.07mm的铂丝缠绕在线圈骨架上，然后装入玻璃或陶瓷管等保护管内，就构成了铂电阻。铂电阻R与温度t之间的关系近似直线，其Rt-t关系可用下式表示：Rt=Ro(1+At+Bt2)0≤t≤650℃Rt=Ro[1+At+Bt2+C(t-100℃)t3]-200℃≤t≤0式中Rt，Ro—温度为t和0℃时的铂电阻的电阻值，A,B,C—由实验测得的常数，其中A=3.9684×10-3/℃B=-5.847×10-7/℃2C=-4.22×10-12/℃42.1.2热敏电阻的温度特性热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻，它有负温度系数和正温度系数两种。负温度系数热敏电阻(NTC)的电阻率随着温度的升高而下降；而正温度系数热敏电阻(PTC)的电阻率随着温度的升高而升高。热敏电阻对于温度的反应要比金属电阻灵敏得多，热敏电阻的体积也可以做得很小，用它来制成的半导体温度计，已广泛地使用在自动控制和科学仪器中，并在物理、化学和生物学研究等方面得到了广泛的应用。下面以NTC为例介绍其温度特性原理。度T之间有如下关系：ｐ=A1EB/T(1)式中A1和B是与材料物理性质有关的常数，2014大学生物理实验研究论文T为绝对温度。对于截面均匀的热敏电阻，其阻值RT可用下式表示：RT=ｐ𝑙𝑠(2)将(1)式代入(2)式，令A=A1l/s，于是可得：RT=AeB/T(3)对一定的电阻而言，A和B均为常数。对(3)式两边取对数，则有LnRT=B1𝑇+LnA(4)LnRT与1𝑇成线性关系，在实验中测得各个温度T的RT值后，即可通过作图求出B和A值，代入(4)式，即可得到RT的表达式。式中RT为在温度T(K)时的电阻值(Ω)，A为在某温度时的电阻值(Ω)，B为常数(K)，其值与半导体材料的成分和制造方法有关。热敏电阻的温度系数αT定义为:αT=1𝑅𝑇𝑑𝑅𝑇𝑑𝑇(5)三、实验数据与结果分析实验数据如下：PTC串连的电阻为350Ω表1PTC电阻温度上升时的数据温度℃PTC分压/V23.52.63630.32.64736.32.67540.72.69844.82.748502.82552.90659.83.01464.93.167703.374753.59579.93.82784.94.059904.40794.94.6941004.906NTC串联的电阻为5.1KΩ表2NTC电阻温度上升时的数据温度℃NTC分压/V262.36302.22135.81.96540.81.75944.91.57949.81.387551.21759.81.08164.90.99469.90.821750.72379.90.635850.555900.484940.4251000.371Cu50串联的电阻是100Ω表3Cu50电阻温度上升时的数据温度℃Cu50分压/V24.81.81130.41.83535.51.85440.41.87644.91.9501.918551.93559.71.95564.81.974701.995752.01479.82.03284.92.05902.0794.92.0881002.1072014大学生物理实验研究论文根据如上表格所示实验数据，做下列数据处理，并用origin画出相应图像PTC数据处理T/℃PTC/V350Ω分压/V电流/APTC电阻/Ω23.502.642.360.902.9430.302.652.350.892.9836.302.682.330.873.0840.702.702.300.853.1644.802.752.250.823.3550.002.822.180.773.6555.002.912.090.724.0359.803.011.990.664.5764.903.171.830.585.4770.003.371.630.487.0075.003.601.410.399.2079.903.831.170.3112.4984.904.060.940.2317.5190.004.410.590.1332.7594.904.690.310.0772.01100.004.910.090.02256.05PTC的R-T图像PTC的lnR-T图像NTC数据处理T/℃NTC分压/V1/T5.1kΩ分压/V电流/mANTC/kΩ26.0002.3600.0382.6400.5184.5630.0002.2210.0332.7790.5454.0835.8001.9650.0283.0350.5953.3040.8001.7590.0253.2410.6352.7744.9001.5790.0223.4210.6712.3549.8001.3870.0203.6130.7081.9655.0001.2170.0183.7830.7421.6459.8001.0810.0173.9190.7681.4164.9000.9940.0154.0060.7851.2769.9000.8210.0144.1790.8191.0075.0000.7230.0134.2770.8390.8679.9000.6350.0134.3650.8560.7485.0000.5550.0124.4450.8720.6490.0000.4840.0114.5160.8850.5594.0000.4250.0114.5750.8970.47100.0000.3710.0104.6290.9080.41NTC的R-T图像2014大学生物理实验研究论文NTC的lnR-1/T图像Cu50的数据处理如下：T/℃Cu50分压/V100Ω分压电流/ACu50/Ω24.8001.8113.1890.03256.78930.4001.8353.1650.03257.97835.5001.8543.1460.03158.93240.4001.8763.1240.03160.05144.9001.9003.1000.03161.29050.0001.9183.0820.03162.23255.0001.9353.0650.03163.13259.7001.9553.0450.03064.20464.8001.9743.0260.03065.23570.0001.9953.0050.03066.38975.0002.0142.9860.03067.44879.8002.0322.9680.03068.46484.9002.0502.9500.03069.49290.0002.0702.9300.02970.64894.92.0882.9120.0291271.7032971002.1072.8930.0289372.830971由以上图像可得出结论：PTC热电阻的电阻与温度成正相关。上网查阅资料得，PTC电阻的阻止随温度的变化应该是𝑅𝑇=𝑅𝑇0e𝐵𝑝(𝑇−𝑇0)(1)两边简单的变换后可以得到ln(𝑅𝑇𝑅𝑇0)=𝐵𝑃(𝑇−𝑇0)(2)其中𝐵𝑃为PTC电阻材料的材料常数。上式可以写成ln𝑅𝑇=𝑘𝑇+𝑏(3)理论上来说，ln𝑅𝑇与𝑇的图像应当是一条直线，可是实际上的图像做出来之后并不是一条直线。原因分析有可能，PTC电阻的材料常数随着温度改变了，即(3)中的𝑘随着温度的改变而改变。另外的原因是，在当时测量不同温度下电阻阻值时，我们是在温度显示到达预定温度的时候立即测量，这是可能待测电阻的温度还不稳定。NTC热电阻的电阻与温度成负相关，温度越高，阻值越低；上网搜索资料得，NTC阻值和温度的关系是𝑅𝑇=𝑅𝑇0e𝐵𝑛(1𝑇−1𝑇0),其中𝐵𝑛是电阻的材料常数。经过类似的变换同样可以得出ln𝑅𝑇=𝑘𝑇+𝑏,但是ln𝑇与1𝑇的图像不是一条直线，原因分析有可能，NTC电阻的材料常数随着温度改变了。另外的原因是，在当时测量不同温度下电阻阻值时，我们是在温度显示到达预定温度的时候立即测量，可能待测电阻的温度还不够稳定。Cu50电阻的电阻与温度可以认为成正比，温度越高，阻值越高；参考文献[1]钱峰,潘人培.大学物理实验(修订版)[M].北京:高等教育出版社,2005:87-94.Cu50的R-T图像