对负温度系数热敏电阻改装温度传感器的探究
河南省鹤壁市浚县第一高级中学高二（14）班物理 陈琦 指导老师：崔希珍
准考证号码： 联系电话：
摘要 本文通过惠斯通电桥对电阻的精确测量，负温度系数热敏电阻 “电阻—温度”特性，对微安表的定标及测量温度校正，最终利用负温度系数热敏电阻改装成测量范围在40℃～80℃的温度传感器，并评定温度传感器精确等级.
关键词 惠斯通电桥，负温度系数热敏电阻（NTC），温度传感器，微安表的定标
1. 引言
负温度系数热敏电阻（NTC）是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的一类半导体，其“电阻—温度”特性是随温度升高，阻值降低.负温度系数热敏电阻在自动化控制、无线电子技术及遥控技术有着广泛的应用，如图1.
金属热电阻的阻值随温度升高而增大，其测温范围较大，但灵敏度差.负温度温范围为40℃～80℃的温度传感器. 2. 实验部分 2.1 实验目的
初步了解热敏电阻“电阻—温度”特性，运用惠斯通电桥组装电路将负温度系数热敏电阻改装成温度传感器，并评定温度传感器精确等级. 2.2 实验器材
惠斯通电桥，检流计（50μA），直流电源（1.5～3V），水银温度计（最小分度值为0.2℃），负温度系数热敏电阻（NTC），加热电炉，电阻箱（0～9999Ω），滑动变阻器，水槽，导线等. 2.3 实验原理 2.3.1惠斯通电桥
惠斯通电桥是一种可以精确测量电阻的仪器.如图2所示，四个电阻 R0、R1、R2和 Rx 组成一个四边形，其中Rx为待测电阻.在四边形的对角A和B之间连接电源，而在另一对角C和D之间接入检流计G.当C和D两点电势相等即Ig=0时G中无电流通过，电桥便达到了平衡
.
第1页（共5页）
系数热敏电阻的阻值随温度急剧变化，灵敏度更高.故选择热敏电阻制作一台测
此时UACUAD UCBUDB， 因而IRxRxIR1R1 IR0R0IR2R2， 由 IRxIR0 IR1IR2，
RRR
可得x0，所以Rx1R0kR0.
R2R1R2
电阻R1、R2为电桥的比率臂，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.电桥一般自带检流计，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.Rx为待测臂，R0为比较臂，R0作为比较的标准，实验室常用电阻箱. 2.3.2热敏电阻温度传感器原理
负温度系数热敏电阻内部在外电场的作用下，载流子（carrier）会向相反的方向做定向移动，于是在半导体内部形成了电流.当电阻材料温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也会形成更多的空穴，于是电阻导电能力明显增强.
热敏电阻Rt 在惠斯通电桥的一个桥臂上，接通电源后，固定桥臂电阻不变，当温度变化时，由于热敏电阻Rt电阻值的变化，检流计也随温度的变化而变化（即定标曲线）.即制成一只热敏电阻温度传感器. 2.4 实验过程
2.4.1“电阻—温度”特性的测定
（1）校准检流计的机械零点，在容器中加入适量的水.
（2）按图3所示连接电路，把热敏电阻放入盛满水的容器中，用加热电炉开始加热至40℃，并用水银温度计测量水温.
（3）选择比率为1，不断调节从而测量出热敏电阻Rt的阻值.
（4）从40℃升至80℃，每隔值得到两组数据，取平均值，记录数据.
第2页（共5页）
比较臂R0的阻值，使电桥达到平衡，5℃测量一次Rt的阻值，从80℃降至40℃，每隔5℃再次测量阻值.每个温度
2.4.2 微安表的定标
（1）按图4所示连接电路，将开关S2接在Rt端，使R2=R3， R1的阻值等于40℃时热敏电阻的阻值，R4的阻值等于80℃时热敏电阻的阻值.
（2）将S2接在R4端，调节滑动变阻器W的滑片，使微安表指针指在满刻度处，再将S2接在Rt端.这样的话，如果热敏电阻在40℃环境中，电桥处于平衡状态，微安表示数为零，在80℃环境中，电桥处于不平衡状态，微安表达到满偏.
（3）水温每升高5℃，用相等阻值的电阻
图4 微安表的定标电路
1.5V-
替换热敏电阻，在微安表上标记刻度，0刻度处代表40℃，满刻度处代表80℃，表盘共分40小格，每小格代表1℃.从微安表表盘上可以读出温度的大小. 2.4.3 测量温度校正
用改装好的热敏电阻温度传感器分别测量不同热水的温度，同时使用水银温度计测量水温（作为标准值）.根据所测量的数据绘制温度校正曲线图.
3. 实验结果及数据分析 3.1 “电阻—温度”特性测量数据
在2.4.1中通过惠斯通电桥，对Rt阻值测量数据如下表所示：
表1 “电阻—温度”特性数据表
温度t/℃ 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0
升温时Rt1/Ω
5596 4760 3962 3457 2941 2517 2128 1881 1650
降温时Rt2/Ω
5577 4756 3953 3487 2933 2506 2136 1890 1649
平均阻值Rt/
5586.5 4758.0 3957.5 3481.0 2937.0 2511.5 2132.0 1885.5 1649.5
绘制“电阻—温度”特性曲线图，如图5所示：
第3页（共5页）
图5 “电阻—温度”特性曲线图
分析实验数据可以得到，热敏电阻的阻值与温度并不一定成确定的函数关系，而是一种线性的相关关系.所以微安表上标定的刻度并不均匀，读出的示数也存在一定的误差，这也是这种传感器的弊端之一.
3.2 温度校正测量数据
表2 温度校正测量表
温度传感器读数T1/℃ 水银温度计读数T2/℃ 读数差ΔT=T1-T2/℃
40.2 40.0 0.2
45.8 45.0 0.8
49.5 50.0 0.5
55.6 55.0 0.6
60.3 60.0 0.3
60.0 65.0 1.0
70.7 70.0 0.7
74.6 75.0 0.4
79.4 80.0 0.6
根据表2测量数据绘制“温度校正曲线图”，如图6所示
图6 温度校正曲线图
第4页（共5页）
从实验数据可以看出，温度传感器测得的温度在标准值上下浮动，与标准值存在一定的误差.这就说明传感器的仪器选择、方案设计还不够精准. 3.3 评定精确等级
S=
最大绝对误差1.0
×100%=×100%=2.50%
最大量程80.0-40.0
所以该热敏电阻温度传感器的精确等级为2.5. 3.4 误差分析及改进
（1）由于使用电炉加热水，不同水域的温度可能有所不同，应使用环形玻璃搅拌棒不断搅拌热水.使水温更均匀.定标时热敏电阻要靠近温度计的水银球，以免由于水温不均匀而造成误差.
（2）水温短时间内不一定恒定，应该快速测量数据.
（3）热敏电阻通电一段时间也会产生电热，对温度测量产生影响，故应该选择性质更优良的测量仪器.
4. 实验结论
利用负温度系数热敏电阻“电阻—温度”特性，可以简单制作一个温度传感器，从而较为粗略的测量一定范围内的温度，但由于仪器选择的限制，其精确等级及简便性还有待进一步提高.
5. 参考文献
[1].张维善，主编.传感器[M].高中二年级选修2-3物理课本，2010 [2].李靖子.《热敏电阻改装温度计》
http://wenku.baidu.com/view/559015e36294dd88d0d26b4e.html [3].百度百科“热敏电阻”词条
http://baike.baidu.com/link?url=e7_HXplREVFvxE6NtOGoCJ5ZePq_6GvBC3cMrSvu9UMPjOXfg3D4uzxDykXBCVos
致谢：
感谢组委会给我这次展示的机会，感谢李海峰老师为我提供大学的实验方法，感谢为我完善论文的邓又源同学.
第5页（共5页）
对负温度系数热敏电阻改装温度传感器的探究
河南省鹤壁市浚县第一高级中学高二（14）班物理 陈琦 指导老师：崔希珍
准考证号码： 联系电话：
摘要 本文通过惠斯通电桥对电阻的精确测量，负温度系数热敏电阻 “电阻—温度”特性，对微安表的定标及测量温度校正，最终利用负温度系数热敏电阻改装成测量范围在40℃～80℃的温度传感器，并评定温度传感器精确等级.
关键词 惠斯通电桥，负温度系数热敏电阻（NTC），温度传感器，微安表的定标
1. 引言
负温度系数热敏电阻（NTC）是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的一类半导体，其“电阻—温度”特性是随温度升高，阻值降低.负温度系数热敏电阻在自动化控制、无线电子技术及遥控技术有着广泛的应用，如图1.
金属热电阻的阻值随温度升高而增大，其测温范围较大，但灵敏度差.负温度温范围为40℃～80℃的温度传感器. 2. 实验部分 2.1 实验目的
初步了解热敏电阻“电阻—温度”特性，运用惠斯通电桥组装电路将负温度系数热敏电阻改装成温度传感器，并评定温度传感器精确等级. 2.2 实验器材
惠斯通电桥，检流计（50μA），直流电源（1.5～3V），水银温度计（最小分度值为0.2℃），负温度系数热敏电阻（NTC），加热电炉，电阻箱（0～9999Ω），滑动变阻器，水槽，导线等. 2.3 实验原理 2.3.1惠斯通电桥
惠斯通电桥是一种可以精确测量电阻的仪器.如图2所示，四个电阻 R0、R1、R2和 Rx 组成一个四边形，其中Rx为待测电阻.在四边形的对角A和B之间连接电源，而在另一对角C和D之间接入检流计G.当C和D两点电势相等即Ig=0时G中无电流通过，电桥便达到了平衡
.
第1页（共5页）
系数热敏电阻的阻值随温度急剧变化，灵敏度更高.故选择热敏电阻制作一台测
此时UACUAD UCBUDB， 因而IRxRxIR1R1 IR0R0IR2R2， 由 IRxIR0 IR1IR2，
RRR
可得x0，所以Rx1R0kR0.
R2R1R2
电阻R1、R2为电桥的比率臂，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.电桥一般自带检流计，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.Rx为待测臂，R0为比较臂，R0作为比较的标准，实验室常用电阻箱. 2.3.2热敏电阻温度传感器原理
负温度系数热敏电阻内部在外电场的作用下，载流子（carrier）会向相反的方向做定向移动，于是在半导体内部形成了电流.当电阻材料温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也会形成更多的空穴，于是电阻导电能力明显增强.
热敏电阻Rt 在惠斯通电桥的一个桥臂上，接通电源后，固定桥臂电阻不变，当温度变化时，由于热敏电阻Rt电阻值的变化，检流计也随温度的变化而变化（即定标曲线）.即制成一只热敏电阻温度传感器. 2.4 实验过程
2.4.1“电阻—温度”特性的测定
（1）校准检流计的机械零点，在容器中加入适量的水.
（2）按图3所示连接电路，把热敏电阻放入盛满水的容器中，用加热电炉开始加热至40℃，并用水银温度计测量水温.
（3）选择比率为1，不断调节从而测量出热敏电阻Rt的阻值.
（4）从40℃升至80℃，每隔值得到两组数据，取平均值，记录数据.
第2页（共5页）
比较臂R0的阻值，使电桥达到平衡，5℃测量一次Rt的阻值，从80℃降至40℃，每隔5℃再次测量阻值.每个温度
2.4.2 微安表的定标
（1）按图4所示连接电路，将开关S2接在Rt端，使R2=R3， R1的阻值等于40℃时热敏电阻的阻值，R4的阻值等于80℃时热敏电阻的阻值.
（2）将S2接在R4端，调节滑动变阻器W的滑片，使微安表指针指在满刻度处，再将S2接在Rt端.这样的话，如果热敏电阻在40℃环境中，电桥处于平衡状态，微安表示数为零，在80℃环境中，电桥处于不平衡状态，微安表达到满偏.
（3）水温每升高5℃，用相等阻值的电阻
图4 微安表的定标电路
1.5V-
替换热敏电阻，在微安表上标记刻度，0刻度处代表40℃，满刻度处代表80℃，表盘共分40小格，每小格代表1℃.从微安表表盘上可以读出温度的大小. 2.4.3 测量温度校正
用改装好的热敏电阻温度传感器分别测量不同热水的温度，同时使用水银温度计测量水温（作为标准值）.根据所测量的数据绘制温度校正曲线图.
3. 实验结果及数据分析 3.1 “电阻—温度”特性测量数据
在2.4.1中通过惠斯通电桥，对Rt阻值测量数据如下表所示：
表1 “电阻—温度”特性数据表
温度t/℃ 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0
升温时Rt1/Ω
5596 4760 3962 3457 2941 2517 2128 1881 1650
降温时Rt2/Ω
5577 4756 3953 3487 2933 2506 2136 1890 1649
平均阻值Rt/
5586.5 4758.0 3957.5 3481.0 2937.0 2511.5 2132.0 1885.5 1649.5
绘制“电阻—温度”特性曲线图，如图5所示：
第3页（共5页）
图5 “电阻—温度”特性曲线图
分析实验数据可以得到，热敏电阻的阻值与温度并不一定成确定的函数关系，而是一种线性的相关关系.所以微安表上标定的刻度并不均匀，读出的示数也存在一定的误差，这也是这种传感器的弊端之一.
3.2 温度校正测量数据
表2 温度校正测量表
温度传感器读数T1/℃ 水银温度计读数T2/℃ 读数差ΔT=T1-T2/℃
40.2 40.0 0.2
45.8 45.0 0.8
49.5 50.0 0.5
55.6 55.0 0.6
60.3 60.0 0.3
60.0 65.0 1.0
70.7 70.0 0.7
74.6 75.0 0.4
79.4 80.0 0.6
根据表2测量数据绘制“温度校正曲线图”，如图6所示
图6 温度校正曲线图
第4页（共5页）
从实验数据可以看出，温度传感器测得的温度在标准值上下浮动，与标准值存在一定的误差.这就说明传感器的仪器选择、方案设计还不够精准. 3.3 评定精确等级
S=
最大绝对误差1.0
×100%=×100%=2.50%
最大量程80.0-40.0
所以该热敏电阻温度传感器的精确等级为2.5. 3.4 误差分析及改进
（1）由于使用电炉加热水，不同水域的温度可能有所不同，应使用环形玻璃搅拌棒不断搅拌热水.使水温更均匀.定标时热敏电阻要靠近温度计的水银球，以免由于水温不均匀而造成误差.
（2）水温短时间内不一定恒定，应该快速测量数据.
（3）热敏电阻通电一段时间也会产生电热，对温度测量产生影响，故应该选择性质更优良的测量仪器.
4. 实验结论
利用负温度系数热敏电阻“电阻—温度”特性，可以简单制作一个温度传感器，从而较为粗略的测量一定范围内的温度，但由于仪器选择的限制，其精确等级及简便性还有待进一步提高.
5. 参考文献
[1].张维善，主编.传感器[M].高中二年级选修2-3物理课本，2010 [2].李靖子.《热敏电阻改装温度计》
http://wenku.baidu.com/view/559015e36294dd88d0d26b4e.html [3].百度百科“热敏电阻”词条
http://baike.baidu.com/link?url=e7_HXplREVFvxE6NtOGoCJ5ZePq_6GvBC3cMrSvu9UMPjOXfg3D4uzxDykXBCVos
致谢：
感谢组委会给我这次展示的机会，感谢李海峰老师为我提供大学的实验方法，感谢为我完善论文的邓又源同学.
第5页（共5页）