物理与工程Ｖｏ１．２１ Ｎｏ．３ ２０１Ｉ １’ 较大量程热敏电阻温度计的设计 Ｉ ｌ物理实验』 Ｌ 邓锂强 方运良 （广东石油化工学院理学院，广东茂名 ５２５０００） （收稿日期：２０１ｌ＿Ｏｌ＿１３） 摘 要 本文介绍了设计性实验“较大量程热敏电阻温度计的设计”，该实验要求了解热敏电阻 的电阻一温度特性，掌握利用非平衡电桥设计较大量程热敏电阻温度计的方法． 关键词 设计性实验；热敏电阻；温度计；非平衡电桥；定标 ＤＥＳＩＧＮ ｏＦ Ａ ＷＩＤＥ ＲＡＮＧＥ ＴＨＥＲＭＩＳＴｏＲ ＴＨＥＲＭｏＭＥＴＥＲ Ｄｅｎｇ Ｌｉｑｉａｎｇ Ｆａｎｇ Ｙｕｎｌｉａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｍａｏｍｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２５０００） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ“ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ”，ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｅｓｔｅｄ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ— ｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ，ａｎｄ ｍａｓｔｅｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ ｂｙ ｎｏｎ—ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｒｉｄｇｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ；ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ；ｎｏｎ—ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｒｉｄｇｅ； ｃａ１ｉｂｒａｔｅ 设计性物理实验是让学生自主对实验方 实验结果，按书写科学论文的要求写出完整的实 法、实验装置进行设计，对实验过程和结果进行分 验报告．实验方案设计如下． 析和研究的物理实验，它比传统的测量性、验证性 实验更有利于培养学生的开拓精神和创新能力． １热敏电阻的电阻一温度特性 作为工科二年级的学生，才进行一年的实验技能 训练，既要求实验的难度不能太高，又要能提高学 热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴、锰、镍 生的兴趣，“较大量程热敏电阻温度计的设计”就 等的氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而 是一个比较好的选择．“较大量程热敏电阻温度计 成，然后采用不同的封装形式制成珠状、片状、杆 的设计”实验课题任务是：采用半导体热敏电阻 状、垫圈状等各种形状．按半导体电阻随温度变化 作为传感器，利用非平衡电桥的电路原理来实现 的典型特性分为三种类型：即负电阻温度系数热 对温度的测量，设计制作一台测温范围为４０℃～ 敏电阻（ＮＴＣ），正电阻温度系数热敏电阻（ＰＴＣ） ８０℃的半导体温度计．本实验要求改装温度计的 和在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温 量程较大，为提高灵敏度，不要求线性化设计．学 度电阻器（ＣＴＲ）．热敏电阻的类型虽然很多，但是 生根据自己所学的知识，查找资料，设计出“较大 一般采用负电阻温度系数热敏电阻（ＮＴＣ），负温 量程热敏电阻温度计的设计”的整体方案，内容包 度系数热敏电阻在它的温度范围内，它的电阻随 括：写出实验原理和理论计算公式，研究测量方 温度的升高而减小，其电阻与温度的变化特性曲 法，写出实验内容和步骤．然后根据自己设计的方 线如图１所示． 案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出 本实验采用ＭＦ５８玻璃封装型负温度系数热 作者简介邓锂强（１９７０年出生），男，广东茂名，实验师，硕士，研究方向：物理实验仪器改良 物理与工程Ｖｏ１．２１ Ｎｏ．３ ２０１１ 用惠斯登电桥测量电阻，用量热器加热，热敏电阻 涂上绝缘漆，防止水的电阻对测量结果产生影响， 升温测量和降温测量相结合，把升温测量和降温 测量的结果取平均作为此温度下的阻值，以减小 热敏电阻内部温差的影响．从４０℃开始，逐步升高 水温，每隔４￣Ｃ测量一组数据，直到８Ｏ℃为止．断开 量热器的电源，使水温下降，从８ｏ℃开始，每隔４℃ 图１ 热敏电阻的电阻一温度特性图 测量一组数据，直到４Ｏ℃为止．测量数据既可以绘 制热敏电阻的电阻一温度特性曲线图，又可作为后 敏电阻作为测温元件，先测量其电阻～温度特性， 使学生了解热敏电阻能改装成温度计的原因．采 面的定标数据．测量数据如表１所示． 表１热敏电阻的电阻一温度特性数据表 温度／＇ｃ 电阻（升）／ｎ ４０ ５６９５ ４４ ５Ｏ１７ ４８ ４３７４ ５２ ３８４３ ５６ ３３８６ ６Ｏ ２９８２ ６４ ２６２４ ６８ ２３Ｏ８ ７２ ２Ｏ７３ ７６ １８４９ ８Ｏ １６５３ 电阻（降）／ｎ 电阻／ｎ ５６２８ ５６６２ ４９６５ ４９９１ ４３３６ ４３５５ ３７６５ ３８０４ ３３４１ ３３６４ ２９５７ ２９７Ｏ ２６１７ ２６２１ ２２９６ ２３Ｏ２ ２Ｏ６５ ２Ｏ６９ １８４３ １８４６ １６４１ １６４７ △ 时，热敏电阻的阻值增加△Ｒ ，则Ｃ、Ｄ间的电 ２利用非平衡电桥改装热敏电阻温度计 利用热敏电阻作为测温元件，利用非平衡电 桥可将微安表改装成量程为４０℃～８Ｏ℃的热敏电 压为［ Ｌｕ—Ｉ，一（ＣＤ Ｒ， —＋ＡＲ，—＋Ｒｏ 一 一 干 ＵＵＡＢ △Ｒｒ ｒ ｒ 阻温度计，改装电路如图２所示．具体方法如下． Ｃ 一 一 『二 干瓦 ｕ ＡＢ （… １＋Ｋ ＋Ｋ （ ＡＲ／Ｒ ） １ ４－ＫＵ彻 从表１的数据可知，温度从４０￣Ｃ升到４４￣Ｃ时， 热敏电阻的△Ｒ／Ｒ ＝＝＝０．１１９，温度从７２℃升到 ７６℃时，热敏电阻的△Ｒ ／Ｒ 一０．１０８，由式（１）可 知，在不同温度点改变△￡，微安表的偏转大小的改 变量是不同的，所以热敏电阻温度计的刻度是不 均匀的．这可以通过一定的方法进行线性化设计， 但线性化要求温度计的量程较小 ，温度计的灵 图２热敏电阻温度计改装电路图 敏度也将降低 ］，也会提高实验的难度，学生难以 在规定的时间内完成实验，故不要求线性化设计． 当温度变化足够小时，ＡＲ 《尺 时，式（１）可 简化为 Ｕ∞≈ ｕ加 （２） 将热敏电阻放入温度为４Ｏ℃的热水中，将微 ｐ 安表外接到电桥，电桥倍率为Ｋ一一Ｄ－ ，调节可调电 』、２ 阻Ｒ。使电桥平衡，这时流过微安表的电流为零， 指针不动，这时指针的位置为４０℃的刻度．再将热 敏电阻放进温度为８０℃的热水中，这时电桥不平 这时己厂ｃＤ与△Ｒ 成正比，微安表的偏转与热 敏电阻的温度变化成线性关系，此时温度的刻度 是均匀的． 衡，微安表的电流不为零，将产生一定的偏转，调 节滑动变阻器ｗ，使微安表满偏，这时指针的位置 为８Ｏ℃的刻度．保持电路的参数不变，当热敏电阻 处在温度在４Ｏ℃～８０℃的热水时，微安表的指针 温度在４０￣Ｃ～８Ｏ℃之间的刻度可采用比较法 定标．在微安表上贴上剪成弧形的白纸，用来标定 将在零刻度～满偏之间变化．当水温从４Ｏ℃增加 温度的刻度，把热敏电阻和标准温度计同时放人 物理与工程Ｖｏ１．２１ Ｎｏ．３ ２０１１ ０ ０ ０ 热水中，当标准温度计显示温度为４４℃时，标出此 时微安表的偏转位置，此位置即为４４℃的刻度，同 理可标出其他温度点刻度．实际定标时，通常采用 替代法定标，根据电阻一温度特性得到温度为４４℃ 时热敏电阻的阻值Ｒ ，这时用电阻箱代替热敏电 敏电阻温度计改装完毕． ３改装温度计的校正 改装成热敏电阻温度计后，需要用标准温度 阻，把电阻箱阻值调到Ｒ ，接通电路，此时微安表 偏转位置就是４４℃的刻度，同理可标出每隔４℃ 计进行校准，并根据校正的数据绘制校正曲线，以 便改装温度计能准确读数．常用的简便的校正方 时其他温度点的刻度．由式（２）可知，当温度变化 法就是比较法。。 ，把标准温度计和热敏电阻放人 在４℃内时，其温度刻度是均匀的，这时把４℃的 热水中，用改装温度计测量水温 ，每隔５℃校正 刻度平均分成４小格，则每一小格代表１℃，这样 一次，用标准温度计测出水温，使水温单调上升和 既可以减少操作难度，又能达到足够的精度．温度 下降各校正一次，将标准温度计两次读数的平均 刻度画好后，把电阻箱取下来，把热敏电阻接到电 值作为ｔ ，计算各校正点的Ａｔ—ｔ 一ｔ ，作校正曲 桥的Ｒ 接线柱上，电路的其他参数保持不变，热 线，定出这时改装温度计的准确度等级Ｓ．表２ 表２温度校正数据表 热敏电阻温度计ｔ ／￣Ｃ ４０ ４５ ５Ｏ ５５ ６０ ６５ ７０ ７５ ８Ｏ 标准温度计（升）￡ ／￣Ｃ ４０．０ ４５．２ ５Ｏ．４ ５４．９ ６Ｏ．２ ６５．１ ７０．５ ７４．９ ８０．Ｏ 标准温度计（降）ｆ ／℃ ４０．２ ４５．４ ５０．０ ５４．５ ５９．９ ６５．３ ６９．９ ７４．６ ７９．９ 平均值ｔ ／℃ ４０．１ ４５．３ ５Ｏ．２ ５４．７ ６Ｏ．１ ６５．２ ７０．２ ７４．８ ８０．０ Ａｔ＝ 一ｔ ／￣ｃ —Ｏ．１ —０．３ 一Ｏ．２ Ｏ．３ ～０．ｉ 一０．２ 一Ｏ．２ Ｏ．２ Ｏ 是校正数据，根据校正数据绘出校正曲线（图３）， 有较高的灵敏度，准确度较高，还可以根据实际情 热敏电阻温度计的最大引用误差为：ｓ一等× 况，在热敏电阻的工作温度范围内增加量程，能达 到实用的要求．但也存在缺点，温度刻度是非均匀 ｉｏｏＷ＝ ｘ ｌｏｏ￣＝ｏ．７５ ，改装温度计的准确 的，换用不同的热敏电阻，电路的参数要重新调 度等级Ｓ为１级． 整．从几年的开设实验情况来看，同学的兴趣是很 高的，尤其是当看到改装的温度计成功地测量出 温度来，都大感兴奋．本实验虽然没有线性化设 一 ＾ ：度，符合只接受一年实验训练的学生的实际情况， ，．／ｌ＼１．。入一 计，但提高了测温范围和灵敏度，适当减小了难 ℃ 使学生在较短的时间内按时完成实验方案和实验 操作，提高了学生的兴趣，取得了较好的效果． 参考 文 献 图３校正曲线 ［１］王丽香，吕春，王吉有．用非平衡电桥原理制作铜电阻热敏 温度计口］．大学物理实验，２００７，２０（２）：４１～４２ Ｅ２］张鼎，余兰山，刘进．简易热敏电阻温度计的设计［Ｊ］．高等函 ４结论 授学报（自然科学版），２００７，２１（３）：６１ ［３］张昌莘，王德明，方运良．三级物理实验教程［Ｍ］．北京：化学 工业出版社．２０１０，１６１ 上述温度计具有较宽的测量范围，反应快，具
