非平衡电桥测量铂电阻的温度特性.doc

实验九 非平衡电桥测量铂电阻的温度特性【实验目的】 1了解用非平衡电桥测量非电学量的方法。掌握用非平衡桥测量温度传感器铂电阻的温度特性。 2了解非平衡电桥的四种工作方式及其应用。【实验原理】 1热电阻：即热敏电阻，是常用的一种热电式传感器，它利用导体电阻随温度变化而变化的特性，将温度大小转换为电阻大小，从而达到测量温度的目的。图9-1 非平衡电桥电路简图 本实验采用铂电阻。铂电阻温度系数大而稳定，电阻率高，电阻和温度之间关系在常温下呈线性关系，铂电阻物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，常用作工业测温元件和测温标准。 2非平衡电桥：随着测量技术的发展，电桥的应用面不再局限于平衡电桥的范围，非平衡电桥在非电量的测量中已得到广泛应用。将各种电阻型传感器接入电桥回路，桥路的非平衡电压就能反映出桥臂电阻的微小变化，因此，通过测量非平衡电压就可以检测出外界物理量的变化，例如温度、压力、湿度等。 如图9-1所示，R1、R2和R3是选定的精密桥臂电阻，Rt为热电阻。当电源的输出电压E一定时，非平衡电桥桥路的输出电压Ut为 （9-1）温度改变时，Ut随着热电阻Rt的改变而改变，因此，通过Ut值可以确定温度值。 且当电桥平衡时Ut=0 则由 （9-2）可测定温度为t时的铂电阻值Rt。 3三端电桥原理：一般被测电阻大于100时可直接用二端法将电阻Rt接入上述电路。但实际的温度测量中，由于热电阻的电阻值很小，当引线较长时，接线电阻将带来较大误差。例如50的铂电阻，当导线电阻为1时，将会产生5的误差。为了解决这一问题，可选择三端电桥法测量。所谓三端电桥是指从待测电阻Rt两端引出三根接线。其中一端引一根线连接桥路，另一端引出两根线，一根称电位端连到电阻R3上，另一根为电流端连到电源回路上，如图9-2所示。这三端由于引线与接线会出现一定的接触电阻R4、R5、R6，但由于接线方式与长度基本相同，它们的阻值基本相同，在电桥平衡时R4、R5的作用相抵消，R6因为串接在电源回路，对测量没有影响。在非平衡电桥中，三端法测量电阻同样适用。图9-2 三端电桥电路简图 4非平衡电桥的四种工作方式： 这里以非平衡电桥测量热敏电阻为例进行说明（如图9-1所示）。1）等臂电桥 当电桥的三个桥臂阻值相等，即R1=R2=R3时称为等臂电桥。Rt在0（或某一起始温度t0）的电阻值被称为。先选R1=R2=1K，令电桥在t0时平衡，则有=R3，再调R1=R2=R3=构成等臂电桥。然后改变温度t，Rt相应改变，电桥桥路有相应电压输出Ut，记录下不同温度t与相应Ut值，即可算出t时相应的Rt值。2）卧式电桥 当R1=R3，但R1R2时称卧式电桥。电桥在t0时平衡，应有=R2。保持R2=值，则改变t时Rt变，桥路有相应输出Ut。记录下t与相应Ut值即可算出Rt值。3）立式电桥 实验时先测出的值，然后调节R1=R2，R3=，但R1R3，这时桥路已构成立式电桥，改变温度t，记录下不同温度t时的Ut，即可算出Rt值。4）比例电桥 测出的值后，取R2=K，R1=KR3，K为倍率，为方便计算可选取整数，这时桥路已构成比例电桥。改变温度t，记录下不同温度t时的Ut，即可算出Rt值。 上述几种电桥工作方式各有特点。等臂电桥和卧式电桥的测量范围较小，但有较高的灵敏度；立式电桥的测量范围较大，但灵敏度比前两个电桥要低；比例电桥可以灵活地选用桥臂电阻，且测量范围大，线性较好，所以在实际使用中较为广泛。【实验仪器】 DHQJ-3型非平衡电桥、DHW-1A型温度传感器实验仪。实验仪器装置简介 1DHQJ-3型非平衡电桥是一种综合性的电桥实验仪器，如图9-3所示。它可以组成属于平衡电桥的惠斯顿电桥（单桥）、开尔文电桥（双桥），也可以组成多种形式的非平衡电桥。图9-3 DHQJ-3型非平衡电桥仪器结构及原理图1工作电源负端； 2R1电阻端； 3R2电阻端； 4、5双桥电流端； 6电阻端；7单桥被测端； 8R3电阻端； 9工作电源正端； 10数显直流毫伏表；11、12、13、14为R1电阻调节盘，分别为：1000、100、10、1电阻盘；15、16、17、18为R2电阻调节盘，分别为：1000、100、10、1电阻盘；19、20、21、22为R3和电阻调节盘，分别为：1000、100、10、1电阻盘；23电源指示灯； 24电源选择开关，分别可选：双桥、3V、6V、9V四种工作电源；25电桥输出转换开关，扳向下为内接，扳向上为外接；26、27电桥输出“外接”端；28屏蔽端，接仪器外壳；29、30电桥的B、G按钮，即工作电源和电桥输出通断按钮。 2DHW-1A型温度传感实验仪 DHW-1A温度传感实验装置是为配合非平衡电桥测温实验而设计的专用加热装置（如图9-4所示），也可用于测量传感器温度特性曲线。本装置采用智能温度控制器控温，具有控温精度高、范围广、使用安全方便、无污染、可自己选择不同的传感器（热敏电阻、铜电阻、铂电阻）。采用电加热方式，将热电阻浸入水中便可进行测量。 前面板 后面板 加热杯上盖1温控器； 2电源开关； 3加热电压输出； 4电源插座；5传感器输入； 6热电阻放置孔； 7传感器。 温控器面板图图9-4 DHW-1A型温度传感实验装置说明 温控器前面板部件名称：1测量值（PV）：显示器（橙）显示参数名称 测量回路异常表示2设定值（SV）：显示器（绿）显示设定值 显示参数内容 控制回路异常表示3指示灯（ALM1红）：第一报警指示灯，第一报警输出时点亮。4指示灯（ALM2红）：第二报警指示灯，第二报警输出时点亮（无触点输出）。5指示灯（AT绿）： 自整定指示灯，工作时闪烁6指示灯（OUT绿）： 控制输出指示灯，控制输出工作时点亮7设定键（SET）： SV设定：按SET键，SV显示器个位数码管闪烁，可用其余三键修改，按SET键确认并返回至正常显示SV。8加数键（）：在参数设定状态下，作加数键9减数键（）：在正常显示状态下，作当前输出值显示用 在参数设定状态下，作减数键。10自动/手动键（ ）：在正常显示状态下，作自动/手动切换用。 在参数设定状态下，作移位键。【实验内容及步骤】 一准备工作： 1将电桥上的开关24、25拨到合适位置。24为电源选择开关，若作双桥实验选“双桥”，若作单桥、三端电桥和非平衡电桥实验，则可根据被测阻值大小选择“3V”或“6V”、“9V”。25为电桥输出开关，本实验为仪器本身数显表测量，可选“内接”，否则“外接”表示外接仪表测量。 2在加热杯中加入自来水，注意水面高度要适当。将传感器与DHW-1A温度传感实验仪后面板上的传感器输入端连接好。 3将带有传感器的加热杯盖盖到加热杯上。将传感器输出三端按图9-5（2）分别接到非平衡电桥（红端）、（绿端）（图9-5（1）为一般单桥时连线）。1、2、3钮用短导线相连接。 （1） （2） 图9-5 热电阻连线方法 4将加热杯电源线接温控器电压输出插座，并将电桥、温控器接电源。 二用平衡电桥测量热电阻的阻值与温度的关系 1将温控器设置到自己所需加热的最低温度值t0（室温以上）。具体操作如下：先按面板上SET键，再按或键，使SV屏显示设置的温度值t0，最后按SET键确认。PV屏则显示杯中热水温度，亦即与热水达热平衡时热电阻的温度。 2调R1=R2=100，并调整R3使桥路输出电压示数尽可能接近零，此时R3示数最接近t0时热电阻值。 3重新设置温控器到自己所需加热的最高温度（如90），逐步改变R3值成一个等差数列（公差可取2或3），记录下每次R3改变时电桥输出电压恰为零时对应的PV屏显示的温度t，这正是相应温度t下的热电阻值Rt，至少记录七组数据。 4在坐标纸上作Rtt曲线，分析结果与意义。 三测量非平衡电桥输出电压与热电阻温度的关系。 1倒掉杯中热水换上冷自来水重新实验。 2保持R1=R2=100，R3调回值不变。 3水加热时记录温控器PV屏上一系列温度值t及与之相应的非平衡桥输出电压Ut的数值。至少记录七组数据。 4作Utt曲线。分析结果与意义。【注意事项】 1禁止用圆珠笔等尖硬物体操作