数字体温计的设计

一、实验目的

1. 研究NTC热敏电阻的电学、热学性质。

2. 利用NTC热敏电阻设计一个数字体温计，并评估其精度。

二、实验原理 （一）NTC热敏电阻

NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在102～

106欧姆，温度系数-2%～-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。

部分专业术语：

1. （额定）测量功率Pm（mW）

热敏电阻在规定的环境温度下，阻体受测量电流加热引起的阻值变化相对于总的测量误差来说可以忽略不计时所消耗的功率。一般阻值变化不应大于0.1%。

当热敏电阻受测量电流加热引起的阻值变化恰为0.1%时，对应的测量功率Pm称为额定测量功率，其数值约在1mW左右，并与环境温度有关。【根据图1所示的热敏电阻的尺寸、玻璃的热容量及导热系数等参数，可以估算出Pm的大致数量级。】 2. 零功率电阻值RT（Ω）

RT指在温度T时，采用小于额定值的测量功率测得的电阻值。 3. 额定零功率电阻值R25（Ω）

根据国标规定，额定零功率电阻值是NTC热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值R25，这个电阻值就是NTC热敏电阻的标称电阻值。例如，实验室使用的NTC热敏电阻的阻值为10 k，就是指该NTC热敏电阻的R25 = 10 kΩ。 4. 材料常数（热敏指数）B（K）

21

B值的定义式为：𝐵=𝑇1𝑙𝑛 −𝑇𝑅

2

1

2

图1 玻璃封装系列NTC热敏电阻 𝑇𝑇𝑅

T1（K）、T2（K）为指定的温度。R1为温度T1时的零功率电阻值。R2为温度T2时的零功率电阻值。在选购NTC热敏电阻时，由生产厂家提供的B值是在25℃和50℃条件下测量的。 5. 热时间常数（s）

在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始末两个温度差的63.2%时所需的时间，热时间常数与NTC热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。常用的玻璃封装系列NTC热敏电阻的热时间常数不超过20s。 6. 温度特性

NTC热敏电阻的温度特性可近似表示为：𝑅𝑇=𝐴𝑒

式中，RT为温度T时的零功率电阻值。A是与热敏电阻器材料物理特性及几何尺寸有关的系数。

更精确的表达式为：𝑅𝑇=exp⁡(𝐴+𝑇+𝑇2+𝑇3) 式中，A、B、C、D为特定的常数。

𝐵

𝐶

𝐷

𝐵

𝑇 （a）B值相同，阻值不同 （b）阻值相同， B值不同 图1 NTC热敏电阻的R-T特性曲线示意图 （二）非平衡电桥  

三、实验室提供的主要器材

数字电压表（4位半）2台、电阻箱4台、NTC热敏电阻（B≈3600K～4000K）1个、直流稳压电源1台、恒温水浴装置1台、导线若干。

自行查阅文献。

电桥中的数字电压表对应的示数以mV为单位时，数值要与以℃为单位的实际温度的数值相等。如电压示数为“36.5mV”，即表示数字体温计所测到的温度为“36.5℃”。 在34℃～42℃范围内，设计的数字体温计的测量结果与实际温度的偏差不超过0.2℃。 设计要求：

四、实验内容

（一）测量NTC热敏电阻的温度特性

1．在室温时，测量NTC热敏电阻的阻值R与流过它的电流I之间的关系，作R~I图或R~P图，拟合得到测量功率Pm。

2．在实际测量功率小于额定测量功率的条件下，测量NTC热敏电阻的零功率阻值与温度的关系，即温度特性。【测温范围从室温到50℃；在34℃～42℃范围内，测温间隔不大于0.5℃。】

（二）利用非平衡电桥，设计数字体温计

1．利用实验前设计的电路，将测得的NTC热敏电阻的温度特性代入，计算电路中各元件的参数，并用计算机进行数值模拟。

2．根据设计方案，搭建电路，对各元件进行调整，并实际检测所设计的数字温度计的精度是否满足要求。 （三）实验中要解决的问题

1．当实际结果与模拟结果不一致时，如何调整各元件的参数，从而使得数字体温计能够满足设计要求？

2．最终完成的数字体温计电路中，各元件的数值与原设计方案中计算得到的元件参数值一般是不相同的，试分析主要原因。

五、实验报告的要求

1．实验原理部分以数字体温计的设计思路、参数计算为主。 2．实验过程中要阐明电路中各元件的调整思路及过程。 3．实验结果中，注意合理使用残差图来辅助分析。

六、参考资料

1．沈元华、陆申龙主编，基础物理实验，北京；高等教育出版社，2003年