实验名称直流非平衡电桥的应用

1、实验名称： 直流非平衡电桥的应用评分-数字温度计的设计 姓名学号班级 桌号 同组人 本实验指导教师实验地点：基础教学室 实验日期年月日时段一、实验目的：.掌握直流非平衡电桥的工作原理及与直流平衡电桥的异同；.学习直流非平衡电桥的使用方法；.学习传感器非线性特性的线性化设计用直流非平衡电桥设计一款数字温度计。二、实验仪器与器件：、型非平衡电桥、导线若干；、型温度传感实验装置（铜电阻、热敏电阻）；三、实验原理：直流平衡电桥、直流非平衡电桥直流电桥可分为平衡电桥和非平衡电桥（非平衡电桥也称不平衡电桥或微差电桥）。平衡电桥需要工作在平衡态下，可以准确测量未知电阻（如单臂电桥），测量精度很高。但平衡的

2、调节要求严格，需要耗费一定的时间。非平衡电桥 工作在非平衡态下，可测量任一桥臂上的物理量变化。实际生产技术中，往往有些待测量准确度要求不是很高，但需要连续快捷的测 量。如：铁路桥梁的应力检测、产品质量检测及待测量的变化量中。尤其在传感器技术越来 越广泛应用于各种非电学量测量情况下，智能检测和自动控制系统中，直流非平衡电桥就显 示出了优势，这时电桥中某一个或几个桥臂，往往是具有一定功能的传感元件，这些元件的 电阻值随待测物理量（如温度、压力）的变化而相应改变，电桥处于非平衡状态。禾U用非平 衡电桥可以很快连续测量这些传感元件电阻的变化，由此获得这些物理量变化的信息。本实 验就是利用直流非平衡电桥

3、的特点设计一款数字温度计。.非平衡电桥工作原理与平衡电桥如图（）相似，但测量方法上有很大差别。平衡电桥的待测电阻是定值电阻，当调Ri非平衡电桥工作思路：直流非平衡电桥的电路如图（）所示，其在构图形式上0，因此，平衡电桥可以准确地节Ro使Io =O,Uo =0 （平衡的意义），得到Rx1 RR2测量电阻。如果将平衡电桥电路中的待测电阻换成一个电阻型传感器，在某一条件下，先调 整电桥达到平衡，得到此条件下的电阻阻值。然后，当外界条件改变时，传感器阻值会有相应变化，此时，桥臂上的电阻Ri、R2、R3保持不变，而 Rx变化，这时电桥不再平衡，桥路两端的电压随之而变。即：1。=0，Uo随之变化（不平衡的

4、意义），而Uo的大小反映了Uo （或电流信号）引出来加电阻的变化情况，这时，如果我们把、两点的不平衡电压信号 以测量【如图（）】，就可以根据U。与Rx的函数关系，通过检测连续变化的U。就可以检测连 续变化的Rx，由此可检测传感器电阻对应的连续变化的非电量。这就是非平衡电桥工作的基本思路。RaHi图（）直流平衡电桥'IE图（）直流非平衡电桥i4Rl非平衡电桥的桥路形式:根据直流非平衡电桥桥臂上电阻满足的关系，其桥路有如下几种形式：（）等臂电桥：电桥的四个桥臂电阻阻值相等。即尺=R2二R3二Rxo;其中Rxo是Rx的初始值，对应于电桥平衡状态Uo =O（）卧式电桥也称输出对称电桥： 这时电

5、桥的桥臂电阻对称于输出端，即R<| = R3, R2二Rxo，但 Ri = R2（）立式电桥也称电源对称电桥：这时从电桥的电源端看桥臂电阻对称相等即R1 二 R2 Rx O R3但 R1 R3（）比例电桥：这时桥臂电阻成一定的比例关系，即尺=KR2， R3 =KRxo或尺=KR3，R2二KRxo，为比例系数。实际上这是一般形式的非平衡电桥。直流非平衡电桥的输出电压:当电桥处于非平衡态时，、两端电压不为零，即 Uo =0，此时，Uo的大小即为非平衡电桥的输出。按照非平衡电桥的输出接负载的大小不同，输出又可分为两种：一种是负载阻抗相 对于桥臂电阻很大，如输入阻抗很高的数字电压表（本实验即为此

6、类）或输入阻抗很大的运 算放大电路；另一种是负载阻抗较小，几乎与桥臂电阻相比拟。后一种由于非平衡电桥需输 出一定的功率故又称为功率电桥。根据图（）电路，电桥接有负载Rl时输出电压（具体推导请见附录）：（）UoJ旦一丄 EI R2 + Rx R1 + R3设：非平衡电桥 Rx桥臂上的电阻是一个持续变化的量，令：Rx = Rx R，其中:Rx为被测电阻,则:（）式就是Rxo为其初始值（此时电桥平衡，有RiRxo =R3R2），也R为电阻变化量。UoR22ER（R2 Rxo） RR2 + RX O般形式直流非平衡电桥的输出与被测电阻的函数关系。R2()特殊地，对于等臂电桥和卧式电桥（等臂：R =R2

7、二R3二Rxo ；卧式：RR3,R2二Rxo，但Ri = R2）,（）式简化为1 e1U or（）4 Rxo >R2 Rxo当被测电阻的<<时，（）式可进一步简化为（）Uo= 1 AR4 Rxo这时Uo与r成线性关系、热敏电阻的电阻温度特性热敏电阻的电阻温度特性可以用下述指数函数来描述：B （）Rt = AeT式中：是与热敏电阻几何形状有关的常数。为与半导体材料性质有关的常数（又称半导体 热敏电阻温度系数），为绝对温度。()为了获得常数和，可将式（）进行曲线改直，即：两边取对数In Rt选取不同的温度，得到不同的Rt。根据（）式，当时有：In RT1 =1 nA - B/T1

8、 ；时有： In RT2 = I nA B/T2将上两式相减后得到B _ ln RT1 - ln RT2（）1/T1-1/T2将（）代入（）可得BA 二 %JT1（）、用非平衡电桥进行热敏电阻线性化设计的方法一一数字温度传感器的设计。我们设计的数字温度计其温度探头采用半导体热敏电阻，温度显示由非平衡电桥上的数 字电压表显示。半导体热敏电阻具有负的电阻温度系数，电阻值随温度升高而迅速下降。不同温度对应 的电阻有不同的值。将热敏电阻接到非平衡电桥的某一桥臂上，这时，非平衡电桥的会随着 电阻变化有相应的变化。这时，由于热敏电阻的“电阻一温度”关系是非线性的，造成非平 衡电桥的与的关系也是非线性的。非

9、线性关系会造成显示和使用不方便。这就需要根据与的 函数关系对其进行线性化改造，称为传感器非线性特性的线性化，是传感器应用中十分重要 的问题。下面我们对与的非线性特性进行线性化改造在图（）中，、为桥臂测量电阻，具有很小的温度系数，为热敏电阻，由于只检测电桥 的输出电压，故开路，根据（）式有- 巴 E式中 Rx = Ae石2 + RxR1 + R3可见是温度的非线性函数，将在需要测量的温度范围的中点温度处，按泰勒级数展开Uo =U01 Uo T -T1 Un（）其中 UnUo T 2 丄u0n） T -T1 nUo T -T1为线性项， 其中U o是U o的一阶导数, 为此令 u o' =

10、 0 ,（而Un的其它项数值很小，忽2nm n!式中U°1为常数项，不随温度变化。 Un代表所有的非线性项，它的值越小越好， 略不计）由数学推导得（推导见附录）：.B 2T()()RXR2B 2Tbr2 rx2 2'X根据以上的分析，将（）改为：U ° m t - h（）式中和分别和对应的摄氏温度；入为U。在温度Ti时的值U°i ；为U。在温度Ti时的值。将（）式分别代入（）、（）式得入和，即:R3Rx(Ti)R2 + Rx (Ti)R)+ R3 丿R3()4Ti2 _B2"k 4BTi2 丿以上便是与的线性化改造。其中的参数确定如下:m =U

11、°=()根据非平衡电桥的数字电压表的显示表头，适当选取入和的值，好为摄氏温度值，即：入为数字温度计测量范围的中心温度对应的U。【（）】 就是测温入即为温度为C所对应的数字电压表表头的电压值；若制可使表头的显示数正的灵敏度。（如测温范围c C, 作的温度传感器最小分辨值为C,则就是温度变化 C时，数字电压表的电压对应的变化量 ）确定值后，的值由公式（）可求得:4BT122 2<4Ti -B()由公式（）可得：R2=gB 2T的值可取温度时的值计算：B -2Ti 厂 R2Rx（ti）B +2TiRx()由公式（）可得：Ri R3这样选定入值后， 与的值。2BE_ 1B+ 2T1 E -2B'就可求得与的比值。选好与的比值后，根据与的阻值可调范围，确定()将非平