02 熱敏電阻溫度特性研究實(shí)驗(yàn) 大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 預(yù)習(xí)報(bào)告

半導(dǎo)體熱敏電阻特性的研究（平衡電橋）熱敏電阻是開(kāi)發(fā)早、種類(lèi)多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）。正溫度系數(shù)熱敏電阻器在溫度越高時(shí)電阻值越大，常見(jiàn)的正溫度系數(shù)電阻有BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結(jié)體；負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器在溫度越高時(shí)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(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷。熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測(cè)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(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)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(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過(guò)載能力強(qiáng)。因此，它在測(cè)溫技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)、自動(dòng)化和遙控等方面都有廣泛的應(yīng)用。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解熱敏電阻的電阻---溫度特性和測(cè)溫原理2．掌握惠斯通電橋的原理和使用方法二、實(shí)驗(yàn)原理1．半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻-溫度特性半導(dǎo)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(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)制密切相關(guān)的。由于半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目隨溫度升高而按指數(shù)規(guī)律迅速增加。溫度越高，載流子的數(shù)目越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，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(shù)規(guī)律迅速減小。實(shí)驗(yàn)表明，在一定溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體材料的電阻RT和絕對(duì)溫度T的關(guān)系可表示為（1）其中常數(shù)a不僅與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)而且與它的尺寸均有關(guān)系，而常數(shù)b僅與材料的性質(zhì)有關(guān)，T取絕對(duì)溫度。定義電阻溫度系數(shù)為：（2）按照溫度系數(shù)不同分為和負(fù)溫度系數(shù)，正溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越低。（1）式中常數(shù)a、b可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。常利用多個(gè)T和RT的組合測(cè)量值，通過(guò)作圖的方法（或用回歸法最好）來(lái)確定常數(shù)a、b，為此?。?）式兩邊的對(duì)數(shù)。變換成直線方程：（3）或?qū)懽魇街校缓笕、Y分別為橫、縱坐標(biāo)，對(duì)不同的溫度T測(cè)得對(duì)應(yīng)的RT值，經(jīng)過(guò)變換后作X～Y曲線，它應(yīng)當(dāng)是一條截距為A、斜率為B的直線。根據(jù)斜率求出b，又由截距可求出a＝eA。確定了半導(dǎo)體材料的常數(shù)a和b后，便可計(jì)算出這種材料的電阻溫度系數(shù)（4）顯然，半導(dǎo)體熱敏電阻的溫度系數(shù)是負(fù)的，并與溫度有關(guān)。2．用惠斯頓電橋測(cè)量半導(dǎo)體熱敏電阻惠斯頓電橋的原理圖如圖1所示，四個(gè)電阻R0，R1，R2，Rx組成一個(gè)四邊形，即電橋的四個(gè)臂，其中Rx就是待測(cè)電阻。在四邊形的一對(duì)對(duì)角A和C之間連接電源，而在另一對(duì)對(duì)角B和D之間接入檢流計(jì)G。當(dāng)B和D兩點(diǎn)電位相等時(shí)，G中無(wú)電流通過(guò)，電橋便達(dá)到了平衡。平衡時(shí)必有（5）R1、R2和R0都已知，Rx即可求出。

圖1.實(shí)驗(yàn)原理圖電橋?qū)儆诜浅ｌ`敏的原件，電橋靈敏度的定義為：（6）其中，R0是電橋平衡時(shí)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(shuō)明電橋靈敏度越高。三、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．求電橋靈敏度：本實(shí)驗(yàn)中為測(cè)量電橋靈敏度，可以先調(diào)電橋至平衡得R0，改變R0至R0+ΔR0，使檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)10格，求出電橋的靈敏度；再將R0改變?yōu)镽0-ΔR0，使檢流計(jì)向反方向偏轉(zhuǎn)10格，求出電橋的靈敏度，取兩次的平均值。2．測(cè)量熱敏電阻的溫度特性接好電路，安置好儀器。在容器內(nèi)盛入水，開(kāi)啟加熱裝置對(duì)水加熱，使水溫逐漸上升，溫度由自動(dòng)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(cè)電阻RX二接線柱上。測(cè)試的溫度從室溫開(kāi)始，每增加5℃，作一次測(cè)量，直到70℃止。停止加熱，使水慢慢冷卻，測(cè)量降溫過(guò)程中，測(cè)量各對(duì)應(yīng)溫度點(diǎn)的Rt。將升溫和降溫過(guò)程中，對(duì)應(yīng)同一溫度T對(duì)應(yīng)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(shù)定義式，在T=50℃的點(diǎn)作切線，求出該點(diǎn)切線的斜率、T＝50℃點(diǎn)的電阻溫度系數(shù)。作ln