非平衡电桥特性的研究.pdf

第28卷第6期 2008年12月 惠州学院学报 自然科学版 JOURNAL OF HU IZHOU UN I VERSITY Vol1281No16 Dec12008 收稿日期 2008 07 11 基金项目 惠州学院教研教改经费资助项目 B05001 作者简介 李庆春 1973 男 广东惠州人 惠州学院助理实验师 研究方向为实验室管理和教务管理工作 非平衡电桥特性的研究 李庆春 刘俊刁 何婉芬 张 莉 惠州学院 电子科学系 广东 惠州 516007 摘 要 对非平衡电桥的灵敏度和非线性误差进行研究 得到了实验结果和理论值一致的结果 对于灵敏度 当 K 1时灵敏度最高 K越大或越小时灵敏度越低 对于非线性误差 则K越大非线性误差越小 K越小非线性误差 越大 且非线性误差与输入电阻相对变化量成正比 在应用非平衡电桥进行测量时 若对灵敏度要求较高 而对非 线性误差的要求不那么高的情况下 可取K 1 若要求非线性误差尽量小 而对灵敏度的要求不需要太高的情况 下 可取K 10 关键词 非平衡电桥 灵敏度 非线性误差 中图分类号 T M938142 文献标识码 A 文章编号 1671 5934 2008 06 0072 07 传感器技术越来越广泛地应用在非电学量测量和智能检测 自动控制系统中 对于电阻型传感器 如温度 压 力等 利用非平衡电桥可以很快连续测量这些传感元件电阻值的变化 从而得到这些物理量 温度 压力 变化 的信息 随着各类传感器日新月异的发展 非平衡电桥的应用日益广泛 因此 对非平衡电桥特性进行研究具有重 图1 非平衡电桥工作原理 要意义 1 测量原理 111 非平衡电桥工作原理 1 104 如图1所示 当调节四个电阻使D B两点电势相等时 电桥处于平衡 有 R1 R2 R3 R4 K 如果其中一个桥臂电阻 如R4 为传感元件 其阻值随待测物 理量 如温度 压力 变化而改变 电桥处于非平衡态 D B两点的电势差U 不为零 U的大小反映了电阻变化情况 测出了U就知道待测物理量 温度 压力 的变化 忽略电源的内阻 非平衡电桥的开路电压为 U UDB UDC UBC RX R3 RX R2 R1 R2 R1RX R2R3 R 3 RX R 1 R2 1 若采用高内阻的数字电压表接到电桥输出端 则输出电压 Ug U R1RX R2R3 R 3 RX R 1 R2 2 在测量前将电桥调至平衡 这时RX0 R4 当电阻改变至RX R4 R4时 电桥失 去平衡 令 R4 R4 则有 Ug R1 R4 R 3 R4 R4 R 1 R2 K 1 K 1 K 3 第6期李庆春等 非平衡电桥特性的研究 从 3 式可看出不平衡电压与桥臂电阻的相对变化量 不成线性关系 只有当 1 K 时 Ug U0与 才有近似的线性关系 U0 K 1 K 2 4 112 非平衡电桥的灵敏度和非线性误差 灵敏度和非线性误差是非平衡电桥的两个重要性能 1 灵敏度 非平衡电桥的输出电压灵敏度定义为 1 115 SV Ug 5 5 式可用 9Ug 9 来表示 即 SV 9Ug 9 K 1 K 2 6 从 6 式可知 灵敏度SV是 和K的函数 2 非线性误差 非线性误差定义为 1 118 D Ug U0 Ug 7 将 3 4 式代入 7 式得 D 1 K 8 从 8 式看到 非线性误差D也是 和K的函数 2 灵敏度SV和非线性误差D的实验结果与理论值比较 211 SV和D理论值与 的关系曲线 1 取不同K值时灵敏度SV与 的关系 取 为 0110 0110 为 6100V 由式 6 得到不同K值时的SV与 的关系曲线如图2所示 图2 灵敏度理论值SV与 的关系曲线 37 惠州学院学报 自然科学版 2008年第28卷 2 取不同K值时非线性误差D与 的关系 取与1 中相同的 和K值 由式 8 得到D与 的关系曲线如图3所示 图3 非线性误差理论值D与 的关系曲线 212 灵敏度SV和非线性误差D的实验结果 1 测量不平衡电压Ug与 的关系 2 采用杭州大华的DHQJ 5型教学用多功能电桥和ZX21型电阻箱测量不平衡电压Ug与 的关系 为了便于 比较电源电压均取6100V 实验数据列于表1 表2中 表1 各种K值桥臂电阻的取值 VK R1 R2 R1 R2 R3 RX0 61001200020002000122000 610021000500100012500 61000151000200010002000 610055000100050001000 61000121000500010005000 610010100001000500119500 61000111000100005005000 47 第6期李庆春等 非平衡电桥特性的研究 表2 按表1参数测得的不平衡电压Ug与 的关系 Ug mV K 1K 2K 015K 5K 012K 10K 011 011 15618 13716 14217 8418 9016 5012 5415 0109 14014 12314 12716 7611 8018 4511 4816 0108 12412 10913 11217 6715 7112 4010 4218 0107 10812 9512 9719 59 6118 3510 3711 0106 9212 8113 8313 5015 5215 2919 3115 0105 7614 6717 6910 4210 4314 2419 2519 0104 6018 5319 5418 3315 3414 1919 2015 0103 4514 4013 4019 2511 2516 14193 15130 0102 3012 2618 2710 1617 1619 9195 10108 0101 15100 13137 13130 8135 8139 4198 5100 000103011000101 01010102 01011419013123131208130812641954199 0102291626142612161581614091889180 010344103914391224182414141814153 01045814521351193310321219171912 01057216651264154112391924172318 01068617771977104914471529162813 010710017901689125716551034153217 01081141510312101146518621339143711 01091281111517113137410691644134113 0111411712811125118210761749124516 2 灵敏度实验值SV与 的关系 由表2实验数据和式 5 计算得到灵敏度的实验值SV 列于表3中 57 惠州学院学报 自然科学版 2008年第28卷 表3 取不同K值时灵敏度实验值SV与 的关系 SV V K 1K 2K 015K 5K 012K 10K 011 010951164114211510187019801510159 010851162114111490186019601510158 010751160114111480185019401500157 010651160113911460185019301510156 010551158113711430185019101500156 010451156113811420185019001500154 010351154113611390184018801500153 01025115211351139018401870149801522 0101511521134113701835018510149701508 0100511501133113401835018400149701502 0100511491132113101830018250149601497 0101511471132113001828018140149301481 0102511461130113001820180014901473 010351144112911270182017801490147 010451142112911260182017701500146 010551141112711250182017601490145 010651140112711220182017501490144 010751138112611220182017301490144 010851136112511190182017301490143 010951136112411180180017101490143 由表3数据作出灵敏度实验值SV与 的关系曲线如图4所示 图4 灵敏度实验值SV与 的关系曲线 67 第6期李庆春等 非平衡电桥特性的研究 3 非线性误差实验值D与 的关系 把表2的数据和由 4 式得到的U0值代入 7 式得到非线性误差实验值D与 关系 列于表4中 表4 取不同K值时非线性误差实验值D与 的关系 D K 10K 5K 2K 1K 015K 012K 011 011010122010173010312010434010659010805010901 0109010111010145010276010385010596010718010817 0108010082010123010238010338010532010632010731 0107010083010114010196010296010470010566010644 0106010050010099010160010239010396010476010556 0105010044010079010138010183010333010399010429 0104010032010051010111010132010268010320010341 0103010033010040010074010088010196010234010275 0102010020010036010049010066010111010136010158 01010100400100240100300010023010072010080 0 0101 010020 010036 010076 010066 010076 010085 010060 0102 010040 010054 010102 010135 010179 010165 010160 0103 010047 010081 010152 010227 010204 010246 010241 0104 010056 010099 010192 010274 010276 010351 010328 0105 010036 010113 010225 010331 010336 010444 010416 0106 010051 010120 010270 010381 010390 010526 010512 0107 010061 010125 010301 010427 010463 010600 010615 0108 010069 01013 010339 010480 010523 010701 010693 0109 010075 010135 010372 010538 010591 010776 010805 011 010079 010162 010406 010586 010655 010864 010897 由表4数据作出非线性误差实验值D与 关系曲线如图5所示 图5 非线性误差实验值D与 关系曲线 77 惠州学院学报 自然科学版 2008年第28卷 213 实验结果与理论值比较 1 从图2和图4可直观地看出 当电源电压一定时 灵敏度SV的实验结果与理论结果一致 同样的 值 K 1时灵敏度SV最高 K越大或越小时灵敏度SV越低 同样的K值 为负值时SV大 且 越大 SV越大 为正值时SV小 且 越大 SV越小 2 从图3和图5可看到 非线性误差D的实验结果与理论结果也是一致的 同样的 值 K越大 非线性误 差D越小 K越小 D越大 K一定时 越大 非线性误差D越大 且 为负值时 D为正值 为正值时 D为 负值 3 结论 综合上述结果和分析可得出以下结论 1 非平衡电桥的灵敏度SV与K及 有关 K值对SV的影响较大 对 SV的影响较小 同样的 值 K 1时 灵敏度最高 当K越大或越小时灵敏度越低 2 非平衡电桥的非线性误差D与输入电阻相对变化量 成正比 与K值成反比 K一定时 越大 非线性误 差D越大 同样的 值 K越大 非线性误差D越小 K越小 非线性误差D越大 在应用非平衡电桥电路进行测量时 可按实际需要根据上述结论选择适当的K值和 值 以满足测量灵敏度 和非线性误差的要求 若对灵敏度要求较高 而对非线性误差的要求不那么高的情况下 可取K 1 若要求非线 性误差尽量小 而对灵敏度的要求不需要太高的情况下 可取K 10或更大 参考文献 1 成正维 大学物理实验 M 北京 高等教育出版社 2002 2 倪新蕾 大学物理实验 M 广州 华南理工大学出版社 2006 88 责任编辑 吴跃新 Research on Characteristic of the Non equilibrium Bridge L IQing2chun L IU Jun2diao HEWan2fen ZHANGLi Departm ent of electronics science Huizhou College Huizhou 516007 Guangdong China Abstract In thispaper the sensitivityof the no