全国中学生物理竞赛实验参考五

全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义141第五部分包括各种传感器件的研究，测量的重点在电流、电压、电阻。数据处理以描绘图象为重点。相对于《指导书实验21、22、24、25、26、23、27》21、测量温度传感器的温度特性铂电阻温度传感器，pn结温度传感器，数字温度计，恒流源，数字万用电表两块，电阻箱，恒温系统，导线，开关等。22、测量热敏电阻的温度特性NTC型热敏电阻，PTC型热敏电阻，数字温度计，恒流源，数字万用电表两块，电阻箱，恒温系统，冰水混合物，导线，开关等。实验室21、22（FD-TTT-A型温度传感器温度特性实验仪）【目的要求】1、学习用恒电流法和直流电桥法测量热电阻；2、测量铂电阻和热敏电阻温度传感器的温度特性；3、测量电压型、电流型和PN结温度传感器的温度特性；【实验仪器】FD-TTT-A温度传感器温度特性实验仪一台十进制电阻箱一个FD-TTT-A温度传感器温度特性实验仪面板图【实验原理】“温度”是一个重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果至关重要，所以温度传感器应用广泛。温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特性制成的。常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见表1。本实验将通过测量几种常用的温度传感器的特征物理量随温度的变化，来了解这些温度传感器的工作原理．全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义142表1常用的温度传感器的类型和特点类型传感器测温范围/℃特点热电阻铂电阻-200——650准确度高、测量范围大铜电阻-50——150镍电阻-60——180半导体热敏电阻-50——150电阻率大、温度系数大、线性差、一致性差热电偶铂铑-铂（S）0——1300用于高温测量、低温测量两大类、必须有恒温参考点（如冰点）铂铑-铂铑（B）0——1600镍铬-镍硅（K）0——1000镍铬-康铜（E）-200——750铁-康铜（J）-40——600其它PN结温度传感器-50——150体积小、灵敏度高、线性好、一致性差IC温度传感器-50——150线性度好、一致性好一、直流电桥法测量热电阻直流平衡电桥（惠斯通电桥）的电路如图1所示，图1把四个电阻R1,R2,R3,Rt连成一个四边形回路ABCD,每条边称作电桥的一个“桥臂”在四边形的一组对角接点A、C之间连入直流电源E，在另一组对角接点B、D之间连入平衡指示仪表，B、D两点的对角线形成一条“桥路”，它的作用是将桥路两个端点电位进行比较，当B、D两点电位相等时，桥路中无电流通过，指示器示值为零，电桥达到平衡。指示器指零，有UAB=UAD,UBC=UDC,电桥平衡，电流Ig=0,流过电阻R1、R3的电流相等，即I1=I3,同理I2=IRt,因此311322ttRRRRRRRR若12RR，则有：3tRR（1）二、恒电流法测量热电阻恒电流法测量热电阻，电路如图2所示，全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义143图2电源采用恒流源，R1为已知数值的固定电阻，Rt为热电阻。UR1为R1上的电压，URt为Rt上的电压，UR1用于监测电路的电流，当电路电流恒定时则只要测出热电阻两端电压URt，即可知道被测热电阻的阻值。当电路电流为Io,温度为t时，热电阻Rt为11RRtORttUURIUR（2）三、Pt100铂电阻温度传感器Pt100铂电阻是一种利用铂金属导体电阻随温度变化的特性制成的温度传感器。铂的物理、化学性能极稳定，抗氧化能力强，复制性好，易工业化生产，电阻率较高。因此铂电阻大多用于工业检测中的精密测温和温度标准。缺点是高质量的铂电阻（高级别）价格十分昂贵，温度系数偏小，受磁场影响较大。按IEC标准，铂电阻的测温范围为-200——650℃。百度电阻比W（100）=1.3850时Ro为100Ω或10Ω时。称为Pt100铂电阻或Pt10铂电阻。其允许的不确定度A级为：±（0.15℃+0.002|t|）。B级为：±（0.3℃+0.005|t|）。铂电阻的阻值与温度之间的关系,当温度t在-200～0℃之间时，其关系式为：2301(100)tRRAtBtCtCt（3）当温度在0～650℃之间时关系式为：20(1)tRRAtBt（4）（3）、（4）式中Rt、R0分别为铂电阻在温度t、0℃时的电阻值，A,B,C为温度系数，对于常用的工业铂电阻：3721233.9080210/,5.8019510/,4.2735010/ACBCCC在0～100℃范围内Rt的表达式可近似线性为：01(1)tRRAt（5）（5）式中A1温度系数，近似为3.85×10ˉ³/℃，Pt100铂电阻的阻值，其0℃时Rt=100Ω;而100℃时Rt=138.5Ω。四、PN结温度传感器PN结温度传感器是利用半导体PN结的结电压对温度依赖性，实现对温度检测的，实验证明在一定的电流通过情况下，PN结的正向电压与温度之间有良好的线性关系。通常将硅三极管b、c极短路，用b、e极之间的PN结作为温度传感器测量温度。硅三极管基极和发射极间正向导通电压Vbe一般约为600mV（25℃），且与温度成反比。线性良好，温度系数全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义144约为-2.3mV/℃,测温精度较高，测温范围可达-50——150℃。缺点是一致性差，互换性差。通常PN结组成二极管的电流I和电压U满足（13）式/1qUkTSIIe（13）在常温条件下，且1/KTqUe时，（13）式可近似为kTqUSeII/（14）（13）、（14）式中:19231.60210;1.38110/qCkJK为电子电量，为玻尔兹曼常数T为热力学温度；Is为反向饱和电流；正向电流保持恒定条件下，PN结的正向电压U和温度t近似满足下列线性关系U=Kt+Ugo（15）（15）式中Ugo为半导体材料参数，K为PN结的结电压温度系数。实验测量如图8。图8五、热敏电阻(NTC1K)温度传感器热敏电阻是利用半导体电阻阻值随温度变化的特性来测量温度的，按电阻阻值随温度升高而减小或增大，分为NTC型(负温度系数)、PTC型(正温度系数)和CTC（临界温度）。热敏电阻电阻率大，温度系数大，但其非线性大，置换性差，稳定性差，通常只适用于一般要求不高的温度测量。以上三种热敏电阻特性曲线见图3。温度/℃图3在一定的温度范围内（小于450℃）热敏电阻的电阻Rt与温度T之间有如下关系：)11(00TTBTeRR（6）（6）式中Rt、R0是温度为T(K),T0(K)时的电阻值(K为热力学温度单位开)；B是热敏电阻材料常数，一般情况下B为2000～6000K。对一定的热敏电阻而言，B为常数，对上式两边取对数，则有：ρ/Ω.cm全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义14500ln)11(lnRTTBRT（7）由（7）式可见，lnRT与1/T成线性关系，作lnRT—(1/T)曲线，用直线拟合，由斜率可求出常数B。六、PTC热敏电阻器阻温特性：指的是在规定电压下，PTC热敏电阻器的零功率电阻值与电阻本体温度之间的关系。在TC附近近似有)(00TTATeRR额定零功率电阻值(R25或Rn)：指的是在25℃条件下的零功率电阻，除非客户特别说明另一温度。最小阻值（Rmin）：是指从常温25℃开始，温度曲线系列所对应的最小电阻值，此时Rmin所对应的温度为Tmin。开关温度(Tc)：当阻值开始呈现阶跃性增加时的温度为开关温度，即当阻值升至2倍最小电阻值（Rmin）时所对应的温度，也称居里温度。最大工作电压(Vmax)：在最高允许环境温度下，PTC热敏电阻器能持续承受的最大电压。最大电流（Imax）：指在最大工作电压下，允许通过PTC热敏电阻器的最大电流。不动作电流(Int)：不动作电流即额定电流或保持电流，指在规定的时间和温度条件下，不导致PTC热敏电阻器呈现高阻态的最大电流。动作电流(It)：指在规定的时间和温度条件下，使PTC热敏电阻器阻值呈阶跃型增加时的最小电流。最大电压下的温度范围：PTC热敏电阻器在最大电压下仍能连续工作的环境温度范围。耗散系数（δ）：PTC热敏电阻器中功率耗散的变化量与元件相应温度变化量之比，称为耗散系数(mw/℃)。δ=P/（T-Tr）耐压值：指在规定的时间和温度条件下，PTC热敏电阻器能承受的最大电压，超过这个电压，PTC热敏电阻器将击穿。热时间常数（τ）：在静止的空气中，PTC热敏电阻器从自身温度变化到与环境温度之差的63.2%时所需的时间。残余电流(Ir)：指在最大工作电压下，PTC热敏电阻器阻值跃变后，热平衡状态下的电流。全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义146温度系数（A）：可表示为：TTddRRAT1所以1212lnlnTTRRAR1、R2所对应的温度即是T1、T2，分别比居里温度高10℃和25℃。最小阻值时的温度（TRmin）：最小阻值Rmin出现时所对应的温度。上限温度（UCT）：热敏电阻可继续工作时的最大环境温度。下限温度（LCT）：热敏电阻可继续工作时的最小环境温度。伏-安特性:在25℃的静止空气中,指加在热敏电阻器引出端的电压与达到热平衡的稳态条件下的电流之间的关系(如下图)绝缘热敏电阻:达到规定的绝缘阻值及电压验证测试的热敏电阻。非绝缘热敏电阻:不要求绝缘电压和绝缘阻值测试的热敏电阻。起始电流(Iin):在电路开关启动到闭合瞬间所出现的电流,即Iin。峰值电流(Iinp-p):起始电流(Iin)的峰-峰值。【实验内容】一（1）、用直流电桥法测量Pt100铂电阻的温度特性插上桥路电源（+2V），将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉中心井，另一只待测试的Pt100铂电阻插入另一井，从室温起开始测试，然后开启加热器，每隔5℃控温系统设置一次，控温稳定2min后，调整电阻箱R3使输出电压为零，电桥平衡，则按式（1）测量、计算待测Pt100铂电阻的阻值（R1,R2用金属膜精密电阻,R3用精密电阻箱）。序号123456t（℃）室温3035404550Rx（Ω）30Rt（Ω）35将测量数据用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数A1=，相关系数r=一（2）、用恒电流法测量Pt100铂电阻的温度特性插上恒流源，监测R1上电流是否为1mA(即U1=1.00V,R1=1.00K)。将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉的中心井，另一只待测试的Pt100铂电阻温度传感器插入另一井，，从室温起开始测量，然后开启加热器，每隔5℃控温系统设置一次，控温稳定2min后，按式（0）测量、计算Pt100铂电阻的阻值，到50℃止。用最小二乘法直线拟合，求出结果。序号123456t（℃）室温3035404550Rt（Ω）温度系数A=相关系数r=二、PN结温度传感器温度特性的测试全国中学生物理竞赛实验参考资料石家庄二中内训讲义147将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉中心井，PN结温度传感器插入干井炉一个井内。按要求插好连线。从室温开始测量，然后开启加热器，每隔10℃控温系统设置温度并进行PN结正向导通电压Ube的测量，得到结果如下表序号123456t（℃）室温3035404550Ube（V）用最小二乘法直线拟合，求出结果。A=r=三（1）、用电桥法测量NTC热敏电阻的温度特性插上桥路电源（+2V），将控温传感器Pt100铂电阻(A级)，插入干井炉中心井，另一只待测试的NTC1K热敏电阻插入另一井，从室温起开始测试，然后开启加热器，每隔5℃控温系统设置一次，控温稳定2min后，调整电阻箱R3使输出电压为零，电桥平衡，则按式（1）测量、计算待测NTC1K热敏电阻的阻值（R1,R2用金属膜精密电阻,R3用精密电阻箱）。序号123456t（℃）室温3035404550Rx（Ω）30Rt（Ω）35将测量数据用最小二乘法直线拟合，求出结果。温度系数A=，相关系数r=三（2）、用恒电流法测量NTC热敏电阻的温度特性插上