实验2-用非平衡电桥研究热敏电阻的温度特性
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实验2-用非平衡电桥研究热敏电阻的温度特性
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实验2 用非平衡电桥研究热敏电阻的温度特性
【实验目的】
1. 掌握非平衡电桥的工作原理。
2. 了解金属导体的电阻随温度变化的规律。 3. 了解热敏电阻的电阻值与温度的关系。 4. 学习用非平衡电桥测定电阻温度系数的方法。
【仪器用具】
FB203型多档恒流智能控温实验仪、QJ23直流电阻电桥、YB2811 LCR 数字电桥、MS8050数字表。
【原理概述】
1. 金属导体电阻
金属导体的电阻随温度的升高而增加,电阻值t R 与温度t 间的关系常用以下经验公式表示:
)
1(320 ct bt t R R t
(1)
式中t R 是温度为t 时的电阻,0R 为00 t C 时的电阻,c b ,, 为常系数。
在很多情况下,可只取前三项: )1(20bt t R R t (2) 因为常数b 比 小很多,在不太大的温度范围内,b 可以略去,于是上式可近似写成: )1(0t R R t (3) 式中 称为该金属电阻的温度系数。
严格地说, 与温度有关,但在C 100~C 000范围内, 的变化很小,可看作不变。利用电阻与温度的这种关系可做成电阻温度计,例如铂电阻温度计等,把温度的测量转换成电阻的测量,既方便又准确,在实际中有广泛的应用。
通过实验测得金属的t R t ~关系曲线(图1)近似为一条直线,斜率为 0R ,截距为0R 。 根据金属导体的t R ~曲线,可求得该导体的电阻温度系数。方法是从曲线上任取相距较远的两 点(11,R t )及(22,R t ),根据(3)式有:
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R(Ω)0
t( C)
R(Ω)
t( C)
1001t R R R 2002t R R R
图 1 图 2
联立求解得:
1
2211
2t R t R R R (4)
2.半导体热敏电阻
热敏电阻由半导体材料制成,是一种敏感元件。其特点是在一定的温度范围内,它的电阻率T 随温度T 的变化而显著地变化,因而能直接将温度的变化转换为电量的变化。一般半导体热敏电阻随温度升高电阻率下降,称为负温度系数热敏电阻(简称“NTC ”元件),其电阻率T 随热力学温度T 的关系为
T B T e A /0 (5) 式中0A 与B 为常数,由材料的物理性质决定。
也有些半导体热敏电阻,例如钛酸钡掺入微量稀土元素,采用陶瓷制造工艺烧结而成的热敏电阻在温度升高到某特定范围(居里点)时,电阻率会急剧上升,称为正温度系数热敏电阻(简称“PTC ”元件)。其电阻率的温度特性为:
T
B T e A (6)
式中A 、 B 为常数,由材料物理性质决定。
在本实验中我们使用的是负温度系数的热敏电阻。 对于截面均匀的“NTC ”元件,阻值T R 由下式表示:
T B T
T e S
l
A S l R /0 (7)
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式中l 为热敏电阻两极间的距离,S 为热敏电阻横截面积。令S
l
A A 0
,则有: T B T Ae R / (8) 上式说明负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高按指数规律下降,如图2所示,可见其对温度的敏感程度比金属电阻等其它感温元件要高得多。由于具有上述性质,热敏电阻被广泛应用于精密测温和自动控温电路中。
对(8)式两边取对数,得
A T
B R T ln 1
ln (9) 可见T R ln 与
T
1
成线性关系,若从实验中测得若干个T R 和对应的T 值,通过作图法可求出A (由截距A ln 求出)和B (即斜率)。
半导体材料的激活能Bk E ,式中k 为玻耳兹曼常数(231038.1 k J/K),将B 与k 值代入可求出E 。
根据电阻温度系数的定义:
dT
dR R dT d T
T T T 11
(10) 将(8)式代入可求出热敏电阻的电阻温度系数: 2
T B
(11)
对于给定材料的热敏电阻,在测得B 值后,可求出该温度下的电阻温度系数。 3.非平衡电桥
用惠斯通电桥测量电阻时,电桥应调节到平衡状态,此时0 g I 。但有时被测电阻阻值变化很快(如热敏电阻),电桥很难调节到平衡状态,此时用非平衡电桥测量较为方便。
非平衡电桥是指工作于不平衡状态下的电桥,如图3所示。我们知道,当电桥处于平衡状态时G 中无电流通过。如果有一桥臂的阻值发生变化,则电桥失去平衡,0 g I ,g I 的大小与该桥臂阻值的变化量有关。如果该电阻为热敏电阻,则其阻值的变化量又与温度改变量有关。这样,就可以用g I 的大小来表征温度的高低,这就是利用非平衡电桥测量温度的基本原理。
下面我们用支路电流法求出g I 与热敏电阻T R 的关系。桥路中电流计内阻g R ,桥臂电阻2R 、
3R 、4R 和电源电动势E 均为已知量,电源内阻忽略不计。
根据基尔霍夫第一定律,并注意附图中的电流参考方向,A 、B 、D 三个节点的电流方程如
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A B
C
D
R T
R 2
R 4
R 3
I 1
Ig ⅠⅡ
Ⅲ
I
I 2
I 4
I 3
E
G
下:
节点A :31I I I 节点B :g I I I 21
节点D :43I I I g 根据基尔霍夫第二定律,并注 意到图中各双向标量的参考方向,
3个网孔的回路电压方程如下:
回路Ⅰ:0331 R I R I R I g g T
回路Ⅱ:04422 g g R I R I R I 图 3 回路Ⅲ:4433R I R I E
解以上6个联立方程可得:
)
)(()(432244343232432R R R R R R R R R R R R R R R R R E
R R R R I T g T T T T g
(12)
由上式可知,当432R R R R T 时,0 g I ,电桥处于平衡状态。当432R R R R T 时,0 g I ,表示g I 的实际方向与参考方向相同;当432R R R R T 时,0 g I ,表示g I 的实际方向与参考方向相反。
将(12)式整理后求得热敏电阻T R : E
R R R R R R R R R R R I R R R R R R R R R I E R R R g g g g g g T 443244332423243232)()(
(13)
从上式和(8)式可以看出,g I 与T R 以及T R 与T 都是一一对应的,也就是说g I 与T 有着确定的关系。如果我们用微安表测量g I ,并将微安表刻度盘的电流分度值改为温度分度值,这样的组合就可以用来测量温度,称为半导体温度计。用热敏电阻做温度计的探头,具有体积小,对温度变化反应灵敏和便于遥控等特点,在测温技术、自动控制技术等领域有着广泛的应用。
【实验内容】
本实验研究热敏电阻和铜丝电阻的温度特性。在老师指导下连接电路,用FB203型多档恒流智能控温实验仪加热热敏电阻和铜电阻、用QJ23直流电阻电桥测铜电阻电阻值、用YB2811