半导体温度计的设计与制作(已批阅)
半导体温度计的原理和应用领域
半导体温度计的原理和应用领域随着科学技术的发展，半导体温度计作为一种重要的测温设备，广泛应用于各个领域。
本文将介绍半导体温度计的原理和应用领域，并对其优势进行分析。
一、半导体温度计的原理半导体温度计是基于半导体材料的温度依赖性质设计制作而成的温度测量设备。
其原理基于半导体材料的温度与其电学性质之间的密切关系。
根据温度对材料电阻率的影响，我们可以设计出不同类型的半导体温度计。
最常见的半导体温度计是PN结温度传感器，它由一个N型半导体和一个P型半导体构成。
当温度升高时，半导体材料的载流子浓度将增加，导致材料的电导率增大，从而电阻下降。
通过测量电阻的变化，我们可以推断温度的变化。
此外，半导体材料还具有热电效应，即温度变化引起的电压变化。
基于这种效应，我们可以设计热电温度计，如热电阻、热电偶等。
热电温度计的原理是通过测量材料产生的热电势差来计算温度的变化。
二、半导体温度计的应用领域1. 工业控制和自动化半导体温度计在工业控制和自动化领域中得到广泛应用。
例如，在制造业中，通过测量设备和机器的温度，可以实现对生产过程的监控和控制。
半导体温度计可以实时监测温度变化，并将数据传输到控制系统，从而调节设备的运行状态。
这可以提高生产效率、降低成本，并确保产品质量。
2. 环境监测半导体温度计在环境监测中也发挥着关键作用。
无论是气象观测站、室内温度控制系统还是温室监测，半导体温度计都可以提供准确的温度数据。
这有助于我们了解环境变化并采取相应的措施来保护环境和人类健康。
3. 医疗领域在医疗领域，半导体温度计用于测量人体温度是非常常见的应用。
相比传统的温度计，半导体温度计具有测量速度快、准确度高以及易于使用的优势。
在医院、诊所和家庭中，半导体温度计可以有效地监控患者的体温，及时发现可能的疾病症状。
4. 能源领域半导体温度计在能源领域中也具有重要意义。
例如，太阳能发电系统需要监测太阳能电池板的温度，以确保其高效运行。
半导体温度计可以提供准确的温度数据，从而帮助调节系统的工作温度，提高能源转换效率。
半导体温度计的设计和制作实验
半导体温度计的设计和制作实验（非平衡电桥）在温度不太低或不太高（如从－20o C到几百度）的情况下，通常可以用水银温度计来测一定的温度。
由于生产和科学实验的发展，需要精密和快速的温度测量，因而就需要灵敏度较高的温度计。
现在已有各种用途的温度计，半导体温度计就是其中的一种。
本实验的半导体温度计利用热敏电阻为传感器，利用非平衡电桥实现由电学量测量一些变化的非电量，这种思想现在应用范围扩展到很多领域，如长度、位移、应力、应变、温度、光强等转变成电学量，如电阻、电压、电流、电感和电容等，然后用电学仪器来进行测量。
一、实验目的1．理解非平衡电桥的工作原理及其在非电量的电测法中的应用。
2．了解半导体温度计的基本原理并设计制作一台半导体温度计二、实验原理1．热敏电阻伏安特性曲线为测量热敏电阻的阻值，需了解热敏电阻的伏安特性。
由图1可知，在V-I 曲线的起始部分，因电流很太小，温度变化微小，曲线接近线性。
此时其阻值主要与外界温度有关。
图1 热敏电阻伏安特性曲线半导体温度计是利用热敏电阻的阻值随温度变化急剧的特性制作的，通过测量热敏电阻的阻值来确定温度的仪器。
应根据待测温度区间和热敏电阻的阻值选用合适电学元件和测温电路。
2．半导体温度计测温电路的原理非平衡电桥的工作原理图如下：图2 半导体温度计测温电路原理图图中G 是微安表， R T 为热敏电阻，当电桥平衡时，表的指示必为零，此时应满足条件：TR R R R 321= （1） 若取R 1 = R 2，则R 3的数值即为R T 的数值。
平衡后的电桥若其中某一臂的电阻又发生改变，则平衡将受到破坏，微安表中将有电流流过，此为非平衡电桥。
由基尔霍夫方程组求出CD T T G T T G V R R R R R R R R R R R R R R R I 23232121232212+++++-+= （2）由此可见微安表中的电流大小直接反映了热敏电阻的阻值的大小程度。
由于热敏电阻的大小与环境温度是一一对应关系，因此可以利用这种“非平衡电桥”的电路原理来实现对温度的测量。
温度计的设计
温度计的设计专业___________________学号___________________姓名-___________________一、预习要点1. 了解半导体温度计的基本原理，并设计制作半导体温度计；2. 了解非平衡电桥的工作原理及其在非电量电测法中的应用。
二、实验内容1. 设计制作测量温度范围为20℃～70℃的半导体温度计。
2. 对半导体温度计进行定标对半导体温度计进行定标，首先从热敏电阻的电阻－温度特性曲线上读出温度。
从20℃到70℃，每隔5℃读一个电阻值，用标准电阻箱R4逐次选择前面所取的电阻值，读出微安表的电流读数I，并记录数据。
根据数据，将表盘读数改为温度的刻度，并做出I－T的曲线与表盘刻度比较。
再将实际热敏电阻代替标准电阻箱，此即经过定标的半导体温度计。
三、实验步骤1. 点击仿真实验页面上的“温度计设计”实验。
2. 在打开的程序界面中，右键点击，并选择“仪器背面”，在里面进行相应的电路连线。
（注：线路连接图在“仪器背面”的左上角，点击“显示电路图”即可）。
3. 按线路图连接好相应的电路，如果连线正确，则双击电池电源的位置将会出现一个电池，如果无法出现电池则说明线路连接有误，则应检查连线，直至正确为止。
4. 线路连接好后，首先调节线路中R1和R2的值，方法为：在程序的空白处右键点击，在弹出的界面中选择“万用表”，打开其电源，并在“万用表”上选择“将万用表连接到R1”，调节R1及其微调旋钮，使万用表显示值为“4853”，接着在“万用表”上选择“将万用表连接到R2”，调节R2及其微调旋钮，使万用表也显示为“4853”，至此，R1和R2阻值调节完毕，然后在“仪器背面”上双击“表头插线”，将其接上。
5. 接下来调节电路中R3的阻值，方法为：先在程序的空白处右键点击，在弹出的界面中选择“电阻箱”，并将电阻箱阻值调至2597Ω。
接着在程序的空白处，右键选择打开“仪器正面”和“仪器背面”两界面，调节“仪器背面”的R3，使得“仪器正面”的表头指示在“0”处。
13半导体温度计的设计与制作
实验报告：半导体温度计的设计与制作张贺PB07210001一、实验题目：半导体温度计的设计与制作二、实验目的：要求测试温度在20-70 C的范围内，选用合适的热敏电阻和非平衡电桥线路来设计一台半导体温度计。
要求作为温度计用的微安表的全部量程均能有效的利用，即当温度为20 r时，微安表指示为零；而温度为70 r时，微安表指示为满刻度。
要求长时间的测量时，微安表的读数应稳定不变。
三、实验原理:1.半导体温度计就是利用半导体的电阻值随温度变化而发生急剧变化的特性而制作的，以半导体热敏电阻为传感器，通过测量其电阻值来确定温度的仪器。
这种测量方法称为非电量的电测法，它可以将各种非电量转变成电学量，然后用电学仪器来进行测量。
2.半导体温度计测温电路原理：I G 0 时，电电(1)R2 R T当电桥某一臂改变时平衡将受到破坏，G中有读数，可据此求出R T,即G的读数大小直接反映热敏电阻阻值，从而反映温度。
取 R i R2。
I G 0时，要求R T处于下限，即R a R TI O由于 I T I G，V CD 1丁R3 R T。
由于R i R 2, R 3 ，整理后有,R TI 为工作时测量温度量程的下限； R T 2为上限，此时I T 达到最大。
四、实验仪器:热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、电烙铁、电阻箱、电池、多 挡开关、导线、多用表、恒温水浴等。
五、实验步骤与数据处理：1. 在实验前，在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻一温度曲线T( C) 15.0 20.0 25.030.035.0 40.0 45.0 R() 3175 2597 212811077T( C) 50.055.060.065.0 70.0 75.0R()9488426R1R2R3RT 2R GR I R 2 R i R 2R 3 R T 2 R 3 R T 2VCD(2)2V CD 1可2RT2RT1 RT 22 R GRT1 RT2RT1 RT2(3)R()T( C)选取V CD1V, 已知R G3999 ，I G 50 A。
半导体温度控制仪硬件设计
第3章半导体温度控制仪硬件设计3.1系统的性能要求及特点3.1.1功能要求半导体温度控制仪应能达到以下功能要求：(1)可以人为方便地设定所需控制的温度值，温控仪器能自动将电炉加热至此设定值并能保持，直至重新设定为另一温度值；(2)能够单独实现测量电炉温度的作用；(3)整套仪器可靠性好，设计不易出故障；(4)具有自动加热保护功能的安全性要求。
如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，单片机就会发出指令，从而进行超温或者降温保护；(5)能够实现系统软件的在线升级，无需对温控仪拆卸即可完成软件的升级及在线调试；(6)尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。
3.1.2系统特点基于上述功能要求及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。
本系统在硬件设计方面具有如下特点：本温度控制仪的面板设计遵循简洁实用的原则，为便于使用人员的操作，系统采用了非固定键值意义的状态键盘，一键多用。
系统软件可根据当前所处状态，自动确定键值的具体含义。
以往单片机系统在软件升级及故障调试时，必须将CPU芯片从系统板上拆下来进行软件固化。
针对这种弊端，系统硬件设计时预留有程序下载接口，可以在不拆下CPU芯片的情况下直接进行软件升级和在系统调试，以方便日后的软件维护和功能调试。
整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常用、易于替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。
系统扩展和配置在满足功能要求的基础上留有适当裕量，以利于扩充和修改[17][18]。
3.2系统的硬件总体结构半导体温度控制仪的硬件电路主要由单片机系统、温度采样电路、温度设定电路、比例积分电路、TEC驱动电路、报警电路、键盘显示电路以及接口电路组成。
温度采样电路包括温度传感器、信号放大电路以及A/D转换电路。
温度传感器采集来的信号经信号放大电路放大后，经过A/D转换后送单片机作处理。
电学的设计性实验 ——的设计制做半导体热敏电阻温度计-PPT精选文档
参数的选择和计算
• 1，R1,R2 最好相等［电桥简单］ • ２，电桥的四个电阻阻值要基本接近； • ［R25=5000欧姆，R75=850欧姆］,｛R1,2000 或3000欧姆｝ • ３，Rs, E,的确定！
R R R R R R R R R R R R 1 2 S 1 2 T 1 S T 2 S T
• 在测量的低温端【室温】Ig=0uA,利用室 温RT=R0, 确定Rs;
• 在温度表的高温端【75度】，Ig=200uA ［满偏］,和R75的阻值,利用上面公式计算 出电源电压 E。
实验过程
按图连接电路，按照实验预估值调节仪器， 在室温下调好Rs；75度下调好E. 在RS、E 均保持恒定不变条件下，测绘 Ig ～ T 曲线，亦即为热敏电阻温度表定标； 利用自制的半导体热敏电阻温度计测量自己 手的温度； ◎电源电压E的调节最难，最关键！！！
电学设计性实验
——设计制做半导体热敏电阻温度计
——设计制做半导体热敏电阻温度计
• 一、实验目的 • 1，设计测温度范围“室温-75度”的温度 计。 • 2，了解热敏电阻的特性，掌握用热敏 电阻测量温度的基本原理和方法。 • 3，熟悉非平衡电桥的输出特性。
• 热敏电阻是材料的电阻值随温度的变化而 变化的电阻。 • 根据温度系数可以分为： • 正温度系数热敏电阻【PTC】：dR/dT>0 • 负温度系数热敏电阻【NTC】： dR/dT<0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ验报告的要求
• 1，实验的目的和意义 • 2，实验涉及的基本原理 • 3，实验的设计思路、设计过程，实验电路 中涉及到的电阻、电压、电流等数值的提 前预定。 • 4，测量数据、绘制热敏电阻的定标曲线。 • 5，实验中遇到的问题及解决的办法。 • 6，实验的收获和体会。
半导体温度计
★ 地空学院 杨柳春 PB05007302 ★实验3.5.2实验目的：本实验旨在了解热敏电阻-温度特性和测温原理，掌握惠斯通电桥的原理和使用方法。
学习坐标变换、曲线改直的技巧和用异号法消除零点误差等方法。
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：Fe 3O 4、MgCr 2O 4等）的电阻与温度关系满足式下式：T B T e R R ∞= （1）式中R T 是温度T 时的热敏电阻阻值，R ∞是T 趋于无穷时热敏电阻的阻值，B 是热敏电阻的材料常数，T 为热力学温度。
金属的电阻与温度的关系满足（2）：)](1[1212t t a R R t t -+= （2）式中a 是与金属材料温度特性有关的系数，R t1、R t2分别对应于温度t 1、t 2时的电阻值。
根据定义，电阻的温度系数可由式（3）来决定：dtdR R a t t 1= （3） R t 是在温度为t 时的电阻值，由图R —T （a ）可知，在R-t 曲线某一特定点作切线，便可求出该温度时的半导体电阻温度系数a 。
由式（1）和式（2）及图R —T 可知，热敏电阻的电阻-温度特性与金属的电阻-温度特性比较，有三个特点：（1） 热敏电阻的电阻-温度特性是非线性的（呈指数下降），而金属的电阻-温度特性是线性的。
（2） 热敏电阻的阻值随温度的增加而减小，因此温度系数是负的（2T B a ∝）。
金属的温度系数是正的（dt dR a /∝）。
热敏电阻的温度系数约为-（30~60）×10-4K -1，金属的温度系数为14104--⨯K （铜），两者相比，热敏电阻的温度系数几乎大几十倍。
所以，半导体电阻对温度变化的反应比金属电阻林敏得多。
1． 惠斯通电桥的工作原理半导体热敏电阻和金属电阻的阻值范围，一般在1～106Ω,需要较精确测量时常用电桥法，惠斯通电桥是应用很广泛的一种仪器。
惠斯通电桥的原理，如图电桥原理示意图（a ）所示。
大学物理课件-设计制做半导体热敏电阻温度计PPT文档共38页
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
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21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
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实验题目：半导体温度计的设计与制作
实验目的：测试温度在20~70 ℃的范围内，选用合适的热敏电阻和非平衡电桥线路（或选用你认为更好
的测温电路）来设计一半导体温度计。
进一步理解热敏电阻的伏安特性和惠斯通电桥测电阻的原理，学习非电学量的电测法，了解实验中的替代原理的应用。
实验原理：（1）半导体温度计就是利用半导体的电阻值随温度急剧变化的特性而制作的，以半导体热敏
电阻为传感器，通过测量其电阻值来确定温度的仪器。
这种测量方法为非电量的电测法。
（2）由于金属氧化物半导体的电阻值对温度的反应很灵敏（参见实验3.5.2），因此可以作为温传感器。
为实现非电量的电测法，采用电学仪器来测量热敏电阻的阻值，
还需要了解热敏电阻的伏安特性。
由图1可知，在曲线的起始
部分，曲线接近线性，此时，热敏电阻的阻值主要与外界温度
有关，电流的影响可以忽略不计。
（3）半导体温度计测温电路的原理图如图2所示，当电桥平衡时， 表的指示必为零，此时应满足条件T R R R R 321=，若取R 12，则R 3的数值即为的数值。
平衡后，若电桥某一臂的电阻又发生改变（如），
则平衡将受到破坏，微安计中将有电流流过，微安计中的电流的
大小直接反映了热敏电阻的阻值的大小。
（4）当热敏电阻的阻值在测温量程的下限1时，要求微安计的 读数为零（即0），此时电桥处于平衡状态，满足平衡条件。
若
取R 12，则R 31，即R 3就是热敏电阻处在测温量程的下限温度时的
电阻值，由此也就决定了R 3的电阻值。
（5）当温度增加时，热敏电阻的电阻值就会减小，电桥出现不平衡，在微安计中就有电流流过。
当热敏电阻处在测温量程的上限温度电阻值2时，要求微安计的读数为满刻度。
由于
G T I I >>，则加在电桥两端上的电压近似有：)(3R R I V T CD += （1）
根据图2的电桥电路，由基尔霍夫方程组可以求出
CD T T G T T G V R R R R R R R R R R R R R R R I 2
32
32121232212+++++-+= （2） 由于R 12、R 31，整理后有)(2)21(22
1212121T T T T G T T T G CD R R R R R R R R I V R ++-+-= （3） （6）一般加在电桥两端的电压比所选定的电池的电动势要低些，为了保证电桥两端所需的电压，通常在电源电路中串联一个可变电阻器R ，它的电阻值应根据电桥电路中的总电流来选择。
实验内容：
（1） 在坐标纸上绘出热敏电阻的电阻-温度曲线，确定所设计的半导体温度计的下限温度
（20℃）所对应的电阻值1和上限温度（70℃）所对应的电阻值2。
再由热敏电阻的伏安
特性曲线确定最大工作电流。
根据实验中采用的热敏电阻的实际情况，选取1V ，它可以
保证热敏电阻工作在它的伏安特性曲线的直线部分。
（2） 令R 31，即测量温度的下限电阻值，由式（3）计算出桥臂电阻R 1和R 2的电阻值。
式中2
为量程上限温度的电阻值；为微安表的内阻。
（3） 熟悉线路原理图（图2）和底版配置图（图3），对照实验所用元件、位置及线路的连接
方向。
（4） 注意正确使用电烙铁，学会焊接，防止重焊、虚焊、漏焊、断路。
焊接时K 1放在1挡，
电流计“+”端与E 处要最后连接，以免损坏电表。
（5） 标定温度计
1） R 1和R 2的调节和测量：开关置于1挡，拨下E 处接线，断
开微安计，用多用表检查R 1和R 2，使之阻值达到式（3）的
计算值（可以取比计算值略小的整数）。
2） 将电阻箱接入接线柱A 和B ，用它代替热敏电阻，开关置
于3位置，令电阻箱的阻值为测量下限温度（20℃）所对
应的1，调节电位器R 3，使电表指示为零（注意，在以后调
节过程中，R 3保持不变）。
然后，使电阻箱的阻值为上限温
度（70℃）所对应的2，调节电位器R ，使微安计满量程。
3） 开关置于2挡，调节电位器，R 4，使微安计满量程，这时，
R 42。
（其目的何在？）
4） 开关置于3挡，从热敏电阻的电阻-温度特性曲线上
读出温度20℃～70℃，每隔5℃读一个电阻值。
电阻
箱逐次选择前面所取的电阻值，读出微安计的电流读
数I 。
将图4的表盘刻度改成温度的刻度。
另外，作
出对应的曲线并与表盘刻度比较。
（6）用实际热敏电阻代替电阻箱，整个部分就是经过定标
的半导体温度计。
用此温度计测量两个恒温状态的温度（如35℃、55℃）。
读出半导体温
度计和恒温水浴自身的温度，比较其结果。
实验器材：热敏电阻、待焊接的电路板、微安表、电阻器、电烙铁、电阻箱、电池、导线、万用表、恒
温水浴
实验数据与数据处理：（ )(2)21(22
12121221T T T T G T T T G CD R R R R R R R R I V R R ++-+-== ）
表1 给定热敏电阻的的关系
T/℃1520253035
4045R/Ω31542584215118281516
12881051
T/℃5055606570
75R/Ω927785671577498
434R g =4141Ω I g =50μA U cd =1V 计算得R 1=R 2=4420Ω
图5 给定热敏电阻的的曲线
T/。
C 热敏电阻的R-T曲线
表2 三者之间的关系
℃ Ω
µA 20 2584
0.0 25 2154
6.2 30 1828
12.2 35 1516
18.6 40 1288
24.0 45 1084
30.0 50 927 34.5
55 785 39.8
60 671 44.0
65 577 47.1
70 498 50.0
数据处理：
根据表2 制作温度表盘如下：
图6 温度表盘
实际测量恒温水浴的情况为：(相对误差=|T T|
T
表
箱
箱
)
T（水箱）/℃µA T（表盘）/℃相对误差
55.8 40.0 55.5 0.54%
32.8 16.9 33.0 0.61%
表3 恒温水浴箱温度与制作的表盘读取温度比较将的关系作曲线如下
T/℃
图7 曲线
根据表3与图7可知，在55.8℃时，对应的表盘读取温度大约是55.5℃,相对误差0.54%；
在32.8℃时，对应的表盘读取温度大约是33.0℃，相对误差0.61%。
这两个数据和实际测量所得到的值吻合得比较好，可以认为实验中的温度表盘标定是成功的。
实验中误差的来源主要是电桥中对R1和R2电阻标定，和对微安表的读数，而且实验所给的R，T关系中存在一定误差。
最大的误差来源于对热敏电阻实际的温度-电阻关系的测定。
实验小结：
本实验操作中的难点来源于对电路的焊接。
我由于没有仔细查看课本的电路图，导致第一次调试时微安表没有反应，调试过程耗费了不少时间，最后终于发现少焊了一条导线，将其焊上后实验基本顺利。
我在焊接过程中十分仔细地避免了虚焊等问题，这是本实验成功的一个因素。
思考题：
1.为什么R
1和R
2
的实际值比计算值小一些而不应比计算值大?
答:因为电路中的连接R
1和R
2
的导线也有电阻,如果R
1
和R
2
的实际值比计算值大,再加上其邻
接的导线电阻,只会比计算值越来越大,从而导致更大的误差。
2.在焊接导线时使用松香或焊锡油脂,这有什么用?
答：松香或焊锡油脂作为助焊剂，使导线焊得更牢，避免虚焊。
3.为什么调节R可使电表满刻度？
答：调节R可使总电阻改变，从而改变干路电流，使电表满刻度。
4.调节电位器R
4
使微安表满量程,目的何在？
答：根据实验原理，微安表满量程时，此时半导体温度计到达其测量温度的上限，需R
42
,即为半导体温度计测量其测量范围的上限时热敏电阻的阻值，同时可减少误差。
5.为什么在测R
1和R
2
时，需将开关置于1档，拔下E处接线，断开微安表？
答：这样做的目的是使两个电阻从电路中断开，从而能够准确得到两个电阻的阻值，如果没有这样做，那么测量时会并联上别的电阻或测的是别的电阻阻值。