铜电阻和半导体热敏电阻温度特性测量实验设计与实现

罗志高，苏 丹

(1中山大学 公共实验教学中心，广东 广州 510275；2桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004)

1 原理简述

1．1 半导体热敏电阻原理

1.2 金属导体电阻原理

金属导体的电阻随温度的升高而增加，电阻值Rt与温度t间的关系常用以下经验公式表示：Rt=R0(1+αt+bt2+ct3+…)，式子中Rt是温度为t时的电阻，R0为t=0 ℃时的电阻，α,b,c为常系数。在很多情况下，可只取前三项：Rt=R0(1+αt+bt2)，因为常数b比α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：Rt=R0(1+αt)，式中α称为该金属电阻的温度系数。严格地说，α与温度有关，但在0 ℃～100 ℃范围内，α的变化很小，可看作不变。通过实验测得金属的Rt～t关系曲线近似为一条直线，斜率为R0α，截距为R0。根据金属导体的R～t曲线，可求得该导体的电阻温度系数。

2 传统手动测量

FB203型恒流智能控温实验仪有四种热敏电阻：铜电阻、铂电阻、负温度系数和正温度系数热敏电阻如图1。

图1 FB203型恒流智能控温实验仪连接图

从图2、图3和图4可以看出：通过该实验学生就了解金属导体的电阻随温度变化的规律和了解热敏电阻的电阻值与温度的关系，以及同时使用多种不同仪器。可以掌握非平衡电桥的工作原理。

图2 手动测量铜电阻值与温度特性曲线

图3 手动测量正温度热敏电阻值与温度特性曲线

图4 手动测量负温度系数热敏电阻值与温度特性曲线

铜电阻和铂电阻特性类似，选择了铜电阻测量。用三种不同仪器：QJ23直流电桥、LCR数字电桥和5位半数字万用表对智能控温实验仪的铜电阻和正温度系数以及负温度系数热敏电阻温度特性进行测量，温度从25 ℃开始升到100 ℃，然后从100 ℃降到25 ℃，电阻值取升温和降温的平均值。实验测量数据处理结果铜电阻图2、正温度系数热敏电阻图3、负温度系数热敏电阻图4所示：

3 用数据采集器和微型计算机等设计自动测量实验

利用图1的智能控温仪，将一个电流传感器接入850数据采集器A通道，与正温度热敏电阻(NTC)和负温度热敏电阻(PTC)以及恒流源一起串联，同时将两个电压传感器分别接入正温度热敏电阻(NTC)和负温度热敏电阻(PTC)两端，两个电压传感器另外一端分别850数据采集器B通道和C通道，通道B电压传感器的电压就是正温度热敏电阻电压，通道C电压传感器的电压就是负温度热敏电阻电压，恒流源的电流为2 mA。由于恒流源电流较小，不对热敏电阻加热产生影响。另外一个电流传感器接850数据采集器D通道，它的另外一端与铜电阻串联，铜电阻两端加0.35伏电压，流过铜电阻的电流为几个毫安，也不对铜电阻加热产生影响如图5所示。

图5 850数据采集器连接设置

850数据采集器接微型计算机，微型计算机安装Pasco Capstone软件，打开Capstone软件，分别设置铜电阻阻值与温度曲线、NTC热敏电阻阻值与温度曲线、PTC热敏电阻阻值与温度曲线、恒流源电流与时间曲线。由于铜电阻阻值与温度曲线在室温到100 ℃是直线如图6，可以直接换算用来作为温度值，用作负温度热敏电阻(NTC)和正温度热敏电阻(PTC)阻值与温度曲线中，控温仪加热电流可以直接设为1～1.1 A，不用担心手动测量时温度升得太快冲过测量点。根据厂家提供的Cu50温度与阻值对应表也得出铜电阻的阻值Rcu与温度Tcu是线性关系如图6所示，铜电阻Rcu与温度Tcu的关系式为：Tcu=(500/107)*Rcu-(25000/107),铜电阻的温度也是正温度系数电阻和负温度系数电阻的温度值。实验效果如图6图7所示。铜电阻外加电压为0.35 V，智能控温仪所加电流为1.1 A，外加正负热敏电阻恒流源电流值为2.0 mA，采样率为50 Hz，在850数据采集器中设置测量赋值图8所示，即计算式子是：Rcu=0.35/[电流，通道D(安培 A),▼]-1；T=(500/107)*Rcu-(25000/107)；Rptc=[电压，通道B(伏V),▼]/[电流，通道A(毫安 mA),▼]；Rntc=[电压，通道C(伏 V),▼]/[电流，通道A(毫安 mA),▼]；I外加电流=[电流，通道A(毫安 mA),▼] mA。从图7可以看出铜电阻、负温度系数热敏电阻、正温度系数热敏电阻与温度特性曲线是和手动测量数据处理的特性曲线图2、图3、图4效果一致，实验结果向学生展示了实验可以多种方法完成，启发学生去思考，拓展了学生的思路，培养了学生多种处理问题的能力。

图6 厂家资料得出铜电阻(Cu50)阻值与温度的线性关系

图7 铜电阻、正、负温度系数热敏电阻与温度特性曲线以及外加正负热敏电阻上的2 mA电流图

图8 Rcu、Rptc和Rntc在850数据采集器测量赋值

4 误差分析

实验过程中出现的误差也是一个要考虑的重要因素，我们在相同室温27 ℃下打开11台FB203型恒流智能控温实验仪，它们开机时仪器显示温度分别为：28 ℃、28.5 ℃、28.7 ℃、28.3 ℃、27.7 ℃、28.5 ℃、27.3 ℃、26.9 ℃、28.4 ℃、28.2 ℃、28.1 ℃，不完全相同，在相同温度下每台设备测得的铜电阻、正温度系数电阻、负温度系数电阻也不相同，控温仪显示的温度与计算机屏幕上电阻与温度曲线的温度相差2 ℃左右，我们测得铂电阻与温度的关系式为Tbo=2.6Rbo-260,相同加热条件下铂电阻温度高于控温仪显示温度5 ℃左右，在精度为5%～10%的情况下是可以接受的。但是误差还是存在，可以考虑在控温仪放铜电阻、铂电阻、负温度系数和正温度系数热敏电阻的罐子中加一个高精度温度传感器保障温度相对正确。实验促使学生去分析思考问题，加深学生对误差的认识理解和分析。