热敏电阻温度计的设计-实验报告

-1-大连理工大学大学物理实验报告院（系）材料学院专业材料物理班级0705姓名童凌炜学号200767025实验台号实验时间2008年11月25日，第14周，星期二第5-6节实验名称热敏电阻温度计的设计教师评语实验目的与要求：（1）掌握电阻温度计测量温度的基本原理和方法。（2）设计和组装一个热敏电阻温度计。主要仪器设备：稳压电源，自制电桥盒（如右下图所示），直流单臂电桥箱和热敏电阻感温原件等。实验原理和内容：热敏电阻温度计的工作原理由于热敏电阻的阻值具有随温度变化而变化的性质，我们可以将热敏电阻作为一个感温原件，以阻值的变化来体现环境温度的变化。但是阻值的变化量以直接测量的方式获得可能存在较大的误差，因此要将其转化为一个对外部条件变化更加敏感的物理量；本实验中选择的是电流，通过电桥可以将电阻阻值的变化转化为电流（电压）的变化。电桥的结构如右图所示，R1、R2、R3为可调节电阻，Rt为热敏电阻。当四个电阻值选择适当时，可以使电桥达到平衡，即AB之间（微安表头）没有电流流过，微安表指零；当Rt发生变化时，电桥不平衡，AB间有电流流过，可以通过微安表读出电流大小，从而进一步表征温度的变化。成绩教师签字-2-当电桥不平衡时，可以描绘成如右侧的电路图。根据基尔霍夫定律和R1=R2的条件，能够求得微安表在非平衡状态下的电流表达式：ttgttcdgRRRRRRRRRUI331322)21(式中，Ucd为加载在电桥两端的电压，Rg为微安表头的内阻值。可以见到，为使Ig为相关于Rt的单值函数，R1、R2、R3和Ucd必须为定值，而其定制的大小则决定于以下两个因素：1）热敏电阻的电阻-温度特性。2）所设计的温度计的测温上限t1和测温下限t2。步骤与操作方法：1.温度计的设计（1）测出所选择的热敏电阻Rt-t曲线（或由实验室给出）。（2）确定R1、R2、R3的阻值。具体方法如下：该实验中，t1=20℃，t2=70℃,对应Rt-t曲线可以得到Rt1和Rt2；Rg由实验室给出，Ucd取值为1.3V，由微安表面板上可读出Igm=50μA。根据电桥关系，有R1=R2，R3=Rt1，Rt=Rt2，Ig=Igm；再将以上量代入关系式：)(2)21(212121221ttttgtttgmcdRRRRRRRRIURR，计算得到R1和R2的值。2.温度计的调试（1）将面板上的开关扳向下方，将R1和R2调节到方才的计算值之后，保持不变。（2）将微安表接入电路，Rt先用一个四位旋钮式的电阻箱代替接入E、D两点，并链接其余电路和电源。（3）将电阻箱调至Rt1的计算值，打开电源，调节R3使微安表指零，此时R3调节完毕，有R3=Rt1。-3-（4）将电阻箱调节至Rt2，然后调节R，使微安表满偏，Ucd调节完毕。3.温度计的定标（1）调节电阻箱，使其阻值分别为热敏电阻在25℃，30℃，35℃……65℃一系列温度下的阻值，并记录微安表的指针位置。（2）去掉电阻箱，接通R4，调节R4阻值，使微安表满偏，此时有R4=Rt2，调节完毕。（3）最后将面板开关扳向上方使热敏电阻接入电路ED两点，此时热敏电阻温度计制作成功。4.温度的测量（1）首先断开热敏电阻Rt，接通电源观察微安表是否满偏；如果不满偏则调节R4使其满偏，以校准温度计。（2）重新将热敏电阻接入电路中，然后将其插入盛水的烧杯中，测量水温。水温通过温控仪改变，对比热敏电阻温度计测得的数据和温控仪上显示的温度值，并记录数据。-4-数据记录与处理：在实验中获得的数据如下：（1）初始固定数据t1=20℃,Rt1=4200Ω;t2=70℃,Rt2=875ΩRg=3.94kΩ,Igm=50μA,Ucd=1.3VR3=Rt1=4200Ω代入公式得到R1=R2=7706Ω（2）温度计的定标数据T(℃)2025303540455055606570Ig(μA)0.05.112.218.024.929.833.838.243.047.150.0R(Ω)4200362029722526216718281576135511651002875（3）实际温度测量数据温控仪显示温度T=40.9℃，微安表读数Ig=24.9μA结果与分析：（1）t-Ig表如数据记录部分中表格所示。（2）根据如上所示的t-Ig关系表，绘制成如下的数据点图，并进行指数型的拟合：T=21.777e0.0239I152535455565750102030405060Ig/μAT/℃并且可以得到该曲线的拟合方程IeT0239.0777.21-5-（3）根据列表的数据，刻画出微安表的表度盘示意图如下：（4）计算实际温度与所测温度的百分比误差：已知实际温度为40.9℃时，微安表的示数为24.9μA；由t-Ig数据表可以得到，该电流对应的温度测量值为40℃;则测量值与真实值的百分误差为%25.2%100*40409.40%100*%00TTTT讨论、建议与质疑：（1）由实验数据与结果可见，自行设计的温度计的测量结果与实际温度存在一定的误差，其原因可能有一下几点引起：A）电阻调节不精确。用平衡电桥箱调节电阻时，由于微安表灵敏度很大，指针晃动，读数不稳定，所以调节所得到的R1和R2与计算值之间存在一定的误差；调节R3和R时，微安表的读数误差也会导致这两个电阻的调节误差出现。B）电路中的接触电阻。该实验电路为学生自行连接，由于实验仪器长期使用，各接触点存在氧化，磨损的情况，可能会导致有接触电阻，从而导致电桥电路的参数与理论值出现偏差，继而造成实验误差。C）热敏电阻的仪器结构。本实验所用的热敏电阻是套在玻璃管内再装入辐射加热器中的，这可能会导致热敏电阻所处的环境温度与加热器所显示的内部温度不一致，从而导致测量误差。D）实验者操作造成的误差。由于热敏电阻连线较短，故进行实验时，不得不将电桥盒拿在手里进行读数；实验中发现，手的晃动会造成微安表头的读数不稳定，这也是造成实验结果存在误差的原因之一。-6-（2）根据本实验的原理进行引申，从而推断出，使用非平衡电桥也可以测量电阻。观察数据记录部分的t-Ig表，可以看到有一组R值没有被使用。而R和Ig之间也存在一定的关系，将各个数据对（R，Ig）表现在平面坐标上后，在通过回归模拟得到R-Ig关系方程，便达到了用电流值来表现电阻值的目的，从而可以通过读取微安表读数Tg测量电阻值。（测量时，将热敏电阻Rt替换成待测电阻Rx即可）（3）关于本实验的体会与建议。a)由本实验的原理上，我学到了一种实验思想，即通过确切的可以测量的量来表示另一个不可精确测量的量；本实验中即使用电流来表现电阻值的变化，进一步表现温度的变化。利用某一些原件的自身性质能够随外界某种环境因素的变化而变化的特点，便可以制作某种特定的仪器来达到这种“不变测量的物理量向便于测量的物理量转化”的测量思想，这在许多实验设计，乃至生产实际应用中，都是有一定意义的。b)从实验操作的过程中我认识到了实验电路连接细致的重要性。本实验中电路连接错误或者连接中存在接触不良等现象，都会导致最终测量结果存在较大的偏差甚至导致实验无法完成；因此说明了电路连接的正确性在涉及电方面内容的实验中的重要性，这是不容忽视的，实验中可能只是导致结果错误，而实际生产中的接线错误则可能导致事故。c)对本实验的改进是，一方面延长热敏电阻的接线，使操作时不用将电桥箱端起来，从而消除晃动对读数的影响；另一方面借鉴实验9《温度传感技术》的实验装置，将热敏电阻固定到辐射加热器中，以确保热敏电阻处于符合条件的热环境中并且传热良好。以上两种改进均有利于减少实验的误差。