大學物理實驗報告 大學物理實驗報告 摘要：熱敏電阻是阻值對溫度變化非常敏感的一種半導體電阻，具有許多獨特的優(yōu)點和用途，在自動控制、無線電子技術(shù)、遙控技術(shù)及測溫技術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用。本實驗通過用電橋法來研究熱敏電阻的電阻溫度特性，加深對熱敏電阻的電阻溫度特性的了解。 關(guān)鍵詞：熱敏電阻、非平衡直流電橋、電阻溫度特性 1、引言 熱敏電阻是根據(jù)半導體材料的電導率與溫度有很強的依賴關(guān)系而制成的一種器件，其電阻溫度系數(shù)一般為（ -0.003+0.6） -1。因此，熱敏電阻一般可以分為 : 、負電阻溫 度系數(shù)（簡稱 NTC）的熱敏電阻元件 常由一些過渡金屬氧化物（主要用銅、鎳、鈷、鎘等氧化物）在一定的燒結(jié)條件下形成的半導體金屬氧化物作為基本材料制成的，近年還有單晶半導體等材料制成。國產(chǎn)的主要是指MF91MF96 型半導體熱敏電阻。由于組成這類熱敏電阻的上述過渡金屬氧化物在室溫范圍內(nèi)基本已全部電離，即載流子濃度基本上與溫度無關(guān)，因此這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要考慮遷移率與溫度的關(guān)系，隨著溫度的升高，遷移率增加，電阻率下降。大多應(yīng)用于測溫控溫技術(shù)，還可以制成流量計、功率計等。 、正電阻溫度系數(shù)（簡稱 PTC）的熱敏電阻元件 常用鈦酸鋇材料添加微量的鈦、鋇等或稀土元素采用陶瓷工藝，高溫燒制而成。這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要依賴于載流子濃度，而遷移率隨溫度的變化相對可以忽略。載流子數(shù)目隨溫度的升高呈指數(shù)增加，載流子數(shù)目越多，電阻率越小。應(yīng)用廣泛，除測溫、控溫，在電子線路中作溫度補償外，還制成各類加熱器，如電吹風等。 2、實驗裝置及原理 【實驗裝置】 FQJ 型教學用非平衡直流電橋， FQJ 非平衡電橋加熱實驗裝置（加熱爐內(nèi)置 MF51 型半導體熱敏電阻（ 2.7k）以及控溫用的溫度傳感器），連接線若 干。 【實驗原理】 根據(jù)半導體理論，一般半導體材料的電阻率 和絕對溫度 之間的關(guān)系為 （ 1 1） 式中 a 與 b 對于同一種半導體材料為常量，其數(shù)值與材料的物理性質(zhì)有關(guān)。因而熱敏電阻的電阻值 可以根據(jù)電阻定律寫為 （ 1 2） 式中 為兩電極間距離， 為熱敏電阻的橫截面， 。 對某一特定電阻而言， 與 b 均為常數(shù)，用實驗方法可以測定。為了便于數(shù)據(jù)處理，將上式兩邊取對數(shù)，則有 （ 1 3） 上式表明 與 呈線性關(guān)系，在實驗中只要測得各個溫度 以及對應(yīng)的電阻 的值， 以 為橫坐標， 為縱坐標作圖，則得到 的圖線應(yīng)為直線，可用圖解法、計算法或最小二乘法求出參數(shù) a、 b 的值。 熱敏電阻的電阻溫度系數(shù) 下式給出 （ 1 4） 從上述方法求得的 b 值和室溫代入式（ 1 4），就可以算出室溫時的電阻溫度系數(shù)。 熱敏電阻 在不同溫度時的電阻值，可由非平衡直流電橋測得。非平衡直流電橋原理圖如右圖所示， B、 D 之間為一負載電阻 ，只要測出 ，就可以得到 值。 物理實驗報告 化學實驗報告 生物實驗報告 實驗報告格式 實驗報告模板 當負載電阻 ，即電橋輸出處于開 路狀態(tài)時， =0，僅有電壓輸出，用 表示，當 時，電橋輸出 =0，即電橋處于平衡狀態(tài)。為了測量的準確性，在測量之前，電橋必須預(yù)調(diào)平衡，這樣可使輸出電壓只與某一臂的電阻變化有關(guān)。 若 R1、 R2、 R3 固定， R4 為待測電阻， R4 = RX，則當 R4 R4+ R 時，因電橋不平衡而產(chǎn)生的電壓輸出為： （ 1 5） 在測量 MF51 型熱敏電阻時，非平衡直流電橋所采用的是立式電橋 ， ，且 ，則 （ 1 6） 式中 R 和 均為預(yù)調(diào)平衡后的電阻值，測得電壓輸出后，通過式（ 1 6）運算可得 R，從而求的 =R4+ R。 3、熱敏電阻的電阻溫度特性研究 根據(jù)表一中 MF51 型半導體熱敏電阻（ 2.7k）之電阻 溫度特性研究橋式電路，并設(shè)計各臂電阻 R 和 的值，以確保電壓輸出不會溢出（本實驗 =1000.0， =4323.0）。 根據(jù)橋式，預(yù)調(diào)平衡，將“功能轉(zhuǎn)換”開關(guān)旋至“電壓“位置，按下 G、 B 開關(guān)，打開實驗加熱裝置升溫，每隔 2測 1 個值，并將測量數(shù)據(jù)列表（表二）。 表一 MF51 型半導體熱敏電阻（ 2.7k）之電阻溫度特性 溫度 25 30 35 40 45 50 55 60 65 電阻 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748 表二 非平衡電橋電壓輸出形式（立式）測量 MF51 型熱敏電阻的數(shù)據(jù) i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 溫度 t 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4 熱力學 T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4 0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4 0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9 4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1 根據(jù)表二所得的數(shù)據(jù)作出 圖，如右圖所示。運用最小二乘法計算所得的線性方程為 ，即MF51 型半導體熱敏電阻（ 2.7k）的電阻溫度特性的數(shù)學表達式為 。 4、實驗結(jié)果誤差 通過實驗所得的 MF51 型半導體熱敏電阻的電阻 溫 度特性的數(shù)學表達式為 。根據(jù)所得表達式計算出熱敏電阻的電阻溫度特性的測量值，與表一所給出的參考值有較好的一致性，如下表所示： 表三 實驗結(jié)果比較 溫度 25 30 35 40 45 50 55 60 65 參考值 RT 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748 測量值 RT 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823 相對誤差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00 從上述結(jié)果來看，基本在實驗誤差范圍之內(nèi)。但我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，電阻值變小，但是相對誤差卻在變大，這主要是由內(nèi)熱效應(yīng)而引起的。 5、內(nèi)熱效應(yīng)的影響 在實驗過程中，由于利用非平衡電橋測量熱敏電阻時總有一定的工作電流通過，熱敏電阻的電阻值大，體積小，熱容量小，因此焦耳熱將迅速使熱敏電阻產(chǎn)生穩(wěn)定的高于外界溫度的附加內(nèi)熱溫升，這就是所謂的內(nèi)熱效應(yīng)。在準確測量熱敏電阻的溫度特性時，必須考慮內(nèi)熱效應(yīng)的影響。本實驗不作進一步的研究和探討。 6、實驗小結(jié) 通過實驗，我們很明顯的可以 發(fā)現(xiàn)熱敏電阻的阻值對溫度的變化是非常敏感的，而且隨著溫度上升，其電阻值呈指數(shù)關(guān)系下降。因而可以利用電阻 溫度特性制成各類傳感器，可使微小的溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓纬纱蟮男盘栞敵?，特別適于高精度測量。又由于元件的體積小，形狀和封裝材料選擇性廣，特別適于高溫、高濕、振動及熱沖擊等環(huán)境下作溫濕度傳感器，可