简易热敏电阻温度计的设计

yu9988

用半导体材料制成的热敏电阻, 其阻值随温度升高而迅速下降, 这是因为半导体中载流子数目随温度升高而按指数规律增加, 故ntc热敏电阻阻值按指数规律迅速减小。热敏电阻的特点是灵敏度高, 电阻温度系数比纯金属铂电阻高约10 倍;电阻率大, 很小的体积可有很大阻值, 使引线电阻可忽略。另外, 热敏电阻热惯性小, 可测量变化较快的温度, 常用于温度控制或半导体点温度计, 还可运用于稳压器、自动控制和远距离测量仪器中。根据电阻温度系数的不同, 热敏电阻可分为三类- 1) 正电阻温度系数热敏电阻; (2) 临界电阻温度系数热敏电阻; ( 3) 负电阻温度系数热敏电阻。本文以MF11 型2. 7K 8 半导体负电阻温度系数热敏电阻为例, 介绍其半导体温度计的设计。

1. 热敏电阻温度计的设计原理
MF11 型2. 7K8 半导体热敏电阻, 属于负温度系数类, 即随着温度的升高, 迁移率增加, 电阻率下降。根据理论分析, 其电阻) 温度特性的数学表达式通常可表示为:
RT 为温度是T 开尔文时热敏电阻阻值, A 为常数, 可根据热敏电阻的温度) 电阻特性予以确定, B 为材料常数, 单位为K, 其大小随制作热敏电阻时选用的材料和配方而异, 对于某一确定的热敏电阻, 由实验测得的电阻) 温度曲线求得。

    热敏电阻温度计测温电路的原理图如图1, RT 为热敏电阻,R2、R3、R4 为桥臂上的固定电阻。测温原理是利用热敏电阻随温度的变化引起电桥的电压差发生变化, 并将这种变化进行量化和线性化。
    为使毫伏表显示的电压VT 反映温度t , 设计的电路必须满足两个条件: ( 1) t = 0 e ( 即T =273. 15K) 时, VT = 0; ( 2) VT 与t 成线性关系。在非平衡电桥中, 当所测温度为0 e 时, 电桥处于平衡状态,RTR 2=R4R3, 毫伏表示数为零。当a、b 间电压E 一定时, 非平衡电桥输出电压VT 由下式决定

( 2) 式反映输出电压与温度的关系。
2. 测温方程的线性化
电桥平衡时, VT = 0, 即显示温度为零摄氏度。热敏电阻的阻值随温度的变化引起电桥输出电压的变化, 由此我们测出温度。但( 2) 式表明,VT 与T 不是线性变化的, 如何使V T 与T 之间在要求的温度测量范围内( 假设为T1 附近) 建立一种线性关系成为设计热敏电阻温度计的关键, 通常可以通过适当选择桥路参数来实现, 这就是前面所提到的线性化。
由式( 1) 和( 2) 可知, VT 是T 的函数。我们将VT 在考虑的温区中点T1 处按泰勒级数展开:

( 3) 式中有一常数项, 即不随温度变化的V( 0)T1 ,VcT1 ( T - T 1 ) 为一线性项, 如使( 4) 式中Vn 的二次项为零, 忽略三次项以后的非线性误差。此时可写成如下的表达式:

( 6) 式和( 7) 式即为Vt 与t 间建立线性关系的必要条件, 其中T 1 可根据要求的线性化测温范围确定, 同时由所用材料和设计要求确定B、K和m.
3. 实验结果及分析
首先通过测量热敏电阻阻值和温度的关系,即通过测量热敏电阻的温度电阻特性( 见表1) 来确定材料常数B.



对( 1) 式两侧取自然对数:

作出LnRT ~ 1/ T 的关系曲线, 即得斜率B.测量的拟合图象如图2 所示。

当设计测温范围为30 e ~ 50 e ( 即t中=40 e ) 时. 在T 1 ( 即40 e ) 附近, 毫伏表的伏特数正好显示的是摄氏温度的度数, 当温度为t , 必有近似的Vt = t, 所以在温度为t1 时应有:即需要满足m = 1, K- mt 1 = 0, 用毫伏来表示温度所以m = 10- 3, K= m #t1 @ 10- 3 .
图3 实验电路
度, 所以 .

按照图3 联接电路图,据设计要求, 将R2、R3 、R4、E 调节到设计值, 其中R2和R3 为同一数量级, 据设计电路测得温度与电压对
应关系如表2.

当选取的中间温度为50 e 时, 同样的方法求出各个参数, 得出实验的结果如表3.

通过以上的实验, 所获得的数据在误差范围内, 符合要求, 达到设计要求。
由于热敏电阻的阻值与温度的变化不是完全线性的, 所以我们是在小测温范围内进行实验的,这种在某点按泰勒级数线性设计半导体温度计的方法, 对在某点正负区间10 e 的范围内测量的结果是较为理想的, 有一定的应用价值。在后续的实验中, 将对实验进行改进, 以求精度进一步提高和选择?这些都是今后应该加强研究的地方。为满足不同学校和不同学生的学习需要, 学校有权让教师开发和建设学校课程, 确定学校的地理课程, 是按照教师的教学特长、还是根据学生学习的需求?建设学校的地理课程, 需要哪些基本技术、达到哪些基本要求? 评价学校的地理课程,是由学校领导来判定、还是由学生来评价?也都是我们面临的新问题。另外, 国际上地理课改正处在不断发展之中, 对它进行研究, 分析它的成功经验和教训, 对我国地理课程建设也是十分有益的。3. 4 加强对地理教学反思的研究地理教学反思是教师和学生对地理教学中的行为及结果进行审视、分析, 不是一般意义上的/ 回顾0, 而是反省、思考、探索和解决地理教学过程中存在的问题。
地理新课标为我们进行地理课堂教学改革明确了目标, 但在实施地理新课标的过程中会不可避免地出现我们意想不到的问题。要完成新课改的使命, 达成三维目标, 需要我们在教学后对教学过程进行反思, 使自己的教学意境不断升华。笔者认为, 地理新课程理念下的教学反思不仅仅是对地理教学活动一般性的回顾, 而应该是教师置身于整体的地理教学情境中, 从更宽广的社会、伦理
及教育层面激发自我意识的觉醒, 更重要的是, 它一种面向未来的地理教学活动, 也理所当然是今后地理教学科研的重要趋势之一。
3. 5 加强对地理教育价值的挖掘
地理学科在不断变化, 这意味着新知识和新领域不断出现, 学科变得相互关联, 学科的发展离不开空间意识, 随着GIS( 地理信息系统) 和GPS( 全球定位系统) 的运用, 地理这一自然与文化的桥梁可能会起到统治和支配的作用。地理工作者普遍认为: 地理是包含多重训练的学科, 能够使那些学习过地理并知道自己周围世界的人更为进步, 能够促进他们的文化教养和社交能力。地理教育已逐步形成为一个开放的、结构复杂的系统。为了培养千百万合格公民, 学校地理教育担负着别的学科无法替代的特有功能。面对新技术**和市场经济的挑战, 面对素质教育, 培养21 世纪合格人才的需要, 地理教育要进一步转变思想, 克服不同程度存在的脱离经济建设和社会发展需要的倾向, 进一步挖掘地理教育的价值。