一、名稱:非平衡電橋檢測(cè)熱敏阻值的氣溫系數(shù)二、目的:
1、掌握非平衡電橋的工作原理。
2、了解金屬導(dǎo)體的內(nèi)阻隨氣溫變化的規(guī)律。
3、了解熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻值與氣溫的關(guān)系。
4、學(xué)習(xí)用非平衡電橋測(cè)定內(nèi)阻氣溫系數(shù)的方式。
三、儀器:
1、熱敏內(nèi)阻。
2、數(shù)字萬(wàn)用表。
3、ZX-21型內(nèi)阻箱。
4、滑線變阻器。
5、固定內(nèi)阻器。
6、水浴鍋。
7、溫度計(jì)。
8、直流穩(wěn)壓電源等。
四、原理:
熱敏內(nèi)阻由半導(dǎo)體材料制成,是一種敏感器件。其特征是在一定的濕度范圍內(nèi),它的內(nèi)阻率Tρ隨氣溫T的變化而明顯地變化,因此能直接將體溫的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化。通常半導(dǎo)體熱敏內(nèi)阻隨氣溫下降內(nèi)阻率增長(zhǎng),稱為負(fù)氣溫系數(shù)熱敏內(nèi)阻(簡(jiǎn)稱“NTC”元件,其阻值率Tρ隨熱力學(xué)氣溫T的關(guān)系為TBTeA/0=ρ…(5,式中0A與B為常數(shù),由材料的化學(xué)性質(zhì)決定。
也有些半導(dǎo)體熱敏內(nèi)阻,比如錳酸鋇摻入微量稀土元素,采用陶瓷制造工藝焙燒而成的熱敏內(nèi)阻在氣溫下降到某特定范圍(居里點(diǎn)時(shí),內(nèi)阻率會(huì)大幅上升,稱為正氣溫系數(shù)熱敏內(nèi)阻(簡(jiǎn)稱“PTC”元件。其阻值率的氣溫特點(diǎn)為:
BTe
A?'=ρρ…(6,式中A'、ρ
B為常數(shù),由材料化學(xué)性質(zhì)決定。
在本實(shí)驗(yàn)中我們使用的是負(fù)氣溫系數(shù)的熱敏內(nèi)阻。對(duì)于截面均勻的“NTC”元件,電阻TR由下式表示:TBT
TeS
ASlR/0==ρ(7
,式中l(wèi)為熱敏內(nèi)阻兩極間的距離,S為熱敏內(nèi)阻橫截面積。令S
AA0
=,則有:TBTAeR/=…(8,上式說(shuō)明負(fù)氣溫系數(shù)熱敏內(nèi)阻的電阻隨氣溫下降按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),如圖2所示,可見其對(duì)氣溫的敏感程度比金屬內(nèi)阻等其它感溫器件要高得多。因?yàn)榫哂猩鲜鲂再|(zhì),熱敏內(nèi)阻被廣泛應(yīng)用于精密測(cè)溫和手動(dòng)溫控電路中。對(duì)(8式兩側(cè)取對(duì)數(shù),得
ATB
RTln1ln+=…(9,可見TRln與T
1成線性關(guān)系導(dǎo)體電阻的測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告,若從實(shí)驗(yàn)中測(cè)得若干個(gè)TR和對(duì)
應(yīng)的T值,通過(guò)畫圖法可求出A(由截距Aln求出和B(即斜率。
半導(dǎo)體材料的激活能BkE=,式中k為玻耳茲曼常數(shù)(.1-?=kJ/K,將B與
k值代入可求出E。按照內(nèi)阻氣溫系數(shù)的定義:dT
dRRdTdT
TTT11=
ρρα…
(10,將(8式代入可求出熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻氣溫系數(shù):2T
B-=α…(11,對(duì)給定材料的熱敏內(nèi)阻,在測(cè)得B值后,可求出該氣溫下的內(nèi)阻氣溫系數(shù)。
五、步驟:
1、熱敏體溫計(jì)定標(biāo):①如圖連接線路(接線時(shí)不要打開電源,其中xR為熱敏內(nèi)阻,3R為試驗(yàn)中給出的總電阻為1750Ω的滑動(dòng)變阻器。將xR放在水浴鍋中,注意
不能接觸水浴鍋的壁和底。②調(diào)節(jié)1R為1000Ω,2R為100Ω,3R大概處在1500Ω的位置,打開直流穩(wěn)壓電源,調(diào)節(jié)電源電流為2V,數(shù)字萬(wàn)用表放在2mA檔(先不
要打開水浴鍋電源。③從Ig=0時(shí)開始檢測(cè)。調(diào)節(jié)Ig=0后,先將水浴鍋設(shè)于“測(cè)溫”,再打開水浴鍋電源,馬上記錄下此時(shí)氣溫顯示值t。④將水浴鍋設(shè)于"設(shè)定",
旋轉(zhuǎn)"氣溫設(shè)定"旋鈕至90C。
,水浴鍋開始對(duì)熱敏內(nèi)阻加熱.記錄10組不同水溫t下的Ig,每隔5C。
測(cè)一次導(dǎo)體電阻的測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告,得到熱敏內(nèi)阻的定標(biāo)曲線t-Ig.2、利用已記錄的Ig,把熱敏內(nèi)阻換成內(nèi)阻箱,通過(guò)調(diào)節(jié)阻值箱的電阻,使數(shù)字萬(wàn)用表顯示相應(yīng)的Ig,因而測(cè)出對(duì)應(yīng)的tR,得到tR-t曲線,并按照數(shù)據(jù)組(tR,T,對(duì)exp(/tRabT=進(jìn)行變量變換,弄成表達(dá)式
Y=A+BX方式,借助最小二加法擬合得到具體熱敏內(nèi)阻的特點(diǎn)參數(shù)a、b。
3、由求得的B,估算相應(yīng)氣溫下的熱敏內(nèi)阻的氣溫系數(shù)。
六、記錄:
七、數(shù)據(jù)處理:
exp(/tRabT=→bT
tRa=→lnln
tbRaT
=+令lntYR=,1
XT
得lnYabX=+由上表中的數(shù)據(jù)可估算出a=0.01746,b=3892.81由2=
ttdRb
RdTT
α=-得到以上α值。