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1、半导体热敏电阻的电阻—温度特性实验原理1.半导体热敏电阻的电阻—温度特性某些金属氧化物半导体(如:Fe3O4、MgCr2O4等的电阻与温度的关系满足式(1:BeRRT∞=(1式中TR是温度为T时的热敏电阻阻值,∞R是T趋于无穷时热敏电阻的阻值①,B是热敏电阻的材料常数,T为热力学温度。热敏电阻对温度变化反应的灵敏度一般由电阻温度系数α来表示。根据定义,电阻温度系数可由式(2来决定:dTdRRTT1=α(2由于这类热敏电阻的α值为负,因此被称为负温度系数(NTC热敏电阻,这也是最常见的一类热敏电阻。2.惠斯通电桥的工作原理半导体热敏电阻的工作阻值范围一
2、般在1~106Ω,需要较精确测量时常用电桥法,惠斯通电桥是一种应用很广泛的仪器。惠斯通电桥的原理如图1所示。四个电阻0R、1R、2R和xR组成一个四边形,其中xR就是待测电阻。在四边形的一对对角A和C之间连接电源;而在另一对对角B和D之间接入检流计G。当B和D两点电势相等时,G中无电流通过,电桥便达到了平衡。平衡时必①由于(1式只在某一温度范围内才适用,所以更确切的说∞R仅是公式的一个系数,而并非实际T趋于无穷时热敏电阻的阻值。有021RRRRx=,21RR和0R都已知,xR即可求出。0R为标准可变电阻,由有四个旋钮的电阻箱组成,最小改变量为1Ω。2
3、1RR称电桥的比率臂,由一个旋钮调节,它采用十进制固定值,共分0.001,0.01,0.1,1,10,100,1000七挡。测量时应选择合适的挡位,保证测量值有4位有效数。电桥一般自带检流计,如图2所示,如果有特殊的精度要求也可外接检流计,本实验采用外接的检流计来判断电桥的平衡。实验内容1.数据测量打开大学物理仿真实验软件,在实验目录中选择“热敏电阻”进入本实验主页面。在实验桌上点击各仿真实验仪器(包括:功率调节器、电炉及热敏电阻、惠斯通电桥、检流计和稳压电源和说明书,进入相关页面并按照说明了解仪器型号、使用方法及基本性能,对于实验仪器上的所有调节旋
4、钮,其调节方法均为点击鼠标左键反时针转,点击鼠标右键顺时针转。熟悉各实验仪器的使用后,点击“连接导线”进入相关页面,按图3接线,其中功率调节器和电炉之间已经连接,不需要再用导线去连。连线正确后点击“开始测量数据”按钮进入测量页面。首先,打开稳压电源,根据惠斯通电桥的额定工作电压选择稳压电源的输出电压。打开检流计使其进入工作状态(即解除检流计的锁定,按“短路”按钮,观察检流计指针是否指零,如果指针未指零,则旋转“零位调节”旋钮调零。之后按下“电计”按钮,将检流计接入电路,由于此时电桥还未调节平衡,所以检流计指针会偏到一边,若电桥平衡时,则检流计指针应指
5、零。接着,点击惠斯通电桥进入电阻测量页面,测量室温(20.0℃时热敏电阻的阻值。测量时,保持温度计、检流计和记录本页面处于打开状态,选择合适的倍率值(使测量的电阻值有4位有效数,调节电阻箱阻值使按下“电计”按钮时,检流计指针指零。此时按右下角的“数据记录”按钮便可将温度计所显示温度(20.0℃时的电阻值记录下来。注意:由于此时电炉还未通电,温度会保持20.0℃不变,所以请用足够的时间来熟悉惠斯通电桥的电阻调节方法,以便在下一步变温测量时能迅速正确的测量电阻值。本实验采用的热敏电阻在20.0℃时的阻值约为500.0Ω。然后,打开功率调节器,不断调节合适
6、的功率值,使电炉开始给水浴加热从而改变热敏电阻的阻值。用惠斯通电桥从25.0℃开始每隔5.0℃测量一次电阻值,直到85.0℃。之后,逐渐调小并最终关闭功率调节器,使水浴慢慢冷却,测量降温过程中,各对应温度点的电阻值。注意:由于仿真实验考虑了电功率和散热因素,所以功率过高则升温过快,来不及记录数据;功率过低则升温过慢,浪费时间,甚至可能达不到预订的温度。建议升温时按实际情况逐步提高功率。降温时也不要立刻关闭电源,而是通过逐渐降低功率来控制降温速度。测量过程中多注意温度计读数,并及时调节电桥让指针始终靠近零刻度线,以免电桥远离平衡,到时来不及调节而错过测
7、量要求温度的电阻值。2.数据处理2.1数据表格在Excel中建立以下数据表格,将测量得到的原始数据(t,R升温,R降温填入数据表格并计算相应的T,R平均,lnR,1/T,如表1所示。在D盘根目录下新建文件夹,文件名为:学号和姓名,如“09005516张强”。把填好的Excel表格以相同的文件名命名后保存到以上文件夹中。填写表格时请注意有效数字的保留。热敏电阻实验数据记录表t/℃T/KR升温/ΩR降温/ΩR平均/ΩlnR1/T(×10-3…………………表12.2直线拟合(一元线性回归法求B,∞R对于一系列实验数据(ix,iy(=i1,2,,Λn,若x与
8、y存在线性关系,则一元线性回归方程可设为:bxay+=(3通过最小二乘法①可计算得到该线性方程的截距a和斜率
