直流电桥原理与应用2014

1、华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/直流电桥的原理与应用直流电桥的原理与应用华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/1 1掌握直流电桥测电阻的工作原理和特点；掌握直流电桥测电阻的工作原理和特点； 2 2学会正确使用直流电桥测量电阻的方法；学会正确使用直流电桥测

2、量电阻的方法；3 3了解了解铜电阻和热敏电阻的电阻铜电阻和热敏电阻的电阻温度特性；温度特性；4 实验目的实验目的: :华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/1.1.何为平衡电桥？何为非平衡电桥？何为平衡电桥？何为非平衡电桥？2.2.何为立式电桥？何为卧式电桥？何为立式电桥？何为卧式电桥？3.3.为什么立式桥比卧式桥测量范围大？为什么立式桥比卧式桥测量范围大？4.4.何为电桥的灵敏度？何为电桥的灵敏度？5.5.铜电阻的温度特性是

3、怎样的？铜电阻的温度特性是怎样的？6.6.热敏电阻的温度特性是怎样的？热敏电阻的温度特性是怎样的？7.7.调节电桥平衡时，从低位还是从高位旋钮调起？调节电桥平衡时，从低位还是从高位旋钮调起？8.8.G G，B B开关控制的分别是哪部分电路或部件？开关控制的分别是哪部分电路或部件？9.9.RaRa、RbRb是怎样结构的电阻箱？是怎样结构的电阻箱？课前思考题课前思考题: :华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/1、惠斯通电桥原理、

4、惠斯通电桥原理图图1 1 惠斯通电桥原理图惠斯通电桥原理图 图图1是惠斯通电桥的原理图，是惠斯通电桥的原理图，R1、R2、R3是三个可调标准电阻，是三个可调标准电阻，Rx是被测电阻，是被测电阻，G是检流计，是检流计，Us是电源。是电源。 实验原理实验原理3321KRRRRRx 电桥达到平衡的条件：电桥达到平衡的条件：12RKR电桥比率电桥比率华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/2、非平衡电桥原理、非平衡电桥原理图图2. 非平

5、衡电桥原理非平衡电桥原理 实验原理实验原理0gI 23RR12 RRUSR1R2R3R4=RxIgDCBAU0非平衡电桥非平衡电桥：由由BD间电压间电压U0测量测量Rx可分为两种形态：可分为两种形态：输出对称（卧式电桥）输出对称（卧式电桥）电源对称（立式电桥）电源对称（立式电桥）华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/对于电压表而言，其内阻对于电压表而言，其内阻Rg很大，可认为很大，可认为Rg，有：，有：sURRRRRRRRU)

6、(324131420固定固定R1、R2、R3, 当当R4随某非电量随某非电量x （如温度、压力等）变（如温度、压力等）变化而变化时，有化而变化时，有R4 (x) R4 +R (x) ，上式变为：，上式变为： sURRxRRRRRxRRRRxU)()()(3241312420实验原理：实验原理： 华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/对于对于卧式电桥，卧式电桥，电桥的输出电压为：电桥的输出电压为： ( )4sR xUR若电阻变化

7、很大，即若电阻变化很大，即R（x） R1+R4不成立时，不成立时，0( )4 +2( )SR xUURR x实验原理实验原理 若电阻变化很小，即若电阻变化很小，即 R（x） R1+R41423RRRRRR，sURRxRRRRRxRRRRxU)()()(3241312420华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/对于对于立式电桥立式电桥电桥的输出电压为：电桥的输出电压为： 02( )( )()sRR xU xUR RR若电阻变化很

8、大，即若电阻变化很大，即 R（x） R1+R4 不成立时不成立时02( )( )()1SRR xUUR xRRRR实验原理：实验原理： 3412RRRRRR，华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/3、铜热电阻特性、铜热电阻特性Cu50型铜电阻：型铜电阻：)1(0tRRtR0为为t=0时的电阻值，时的电阻值，50欧姆欧姆称为电阻称为电阻温度系数，约为温度系数，约为0.43%/实验原理实验原理铜热电阻是通过金属在温度变化时本身电阻

9、也随之铜热电阻是通过金属在温度变化时本身电阻也随之发生变化的原理来测量温度的一种传感器发生变化的原理来测量温度的一种传感器 另一种常用的热电阻是铂。另一种常用的热电阻是铂。优点：稳定；准确；线性度较好。优点：稳定；准确；线性度较好。缺点：电阻变化小；响应速度慢；成本较高。缺点：电阻变化小；响应速度慢；成本较高。华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/实验原理实验原理R25为为t=25时的电阻值，时的电阻值，R0=R25exp(-

10、Bn/298)，Bn为材为材料常数，制作时不同的处理方法其值变不同料常数，制作时不同的处理方法其值变不同。热敏电阻是一种负电阻温度系数的半导体金属氧化物电热敏电阻是一种负电阻温度系数的半导体金属氧化物电阻，是一种典型的非线性电阻。阻，是一种典型的非线性电阻。)/exp()298/1/1 (exp025TBRTBRRnnt4、热敏电阻特性、热敏电阻特性优点：灵敏度高，响应速度快。优点：灵敏度高，响应速度快。缺点：非线性；温度范围有限；自发热。缺点：非线性；温度范围有限；自发热。华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/http:/218.199.

11、86.172/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/实验仪器实验仪器: :FQJ型非平衡直流电桥型非平衡直流电桥, 温度控制器温度控制器, 升温加热炉升温加热炉.温控器温控器加热炉加热炉主机主机华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/FQJFQJ电桥主机面板电桥主机面板RaRbRc华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/http:/218.1

12、99.86.172/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/“电压、功率、功率电压、功率、功率”三档的电压均为三档的电压均为1.3V1.3VG G是数字电表控制开关，是数字电表控制开关，B B是电桥电源控制开关是电桥电源控制开关整个仪器的核心部分为面板中部的桥式电路，其中R R1 1、R R2 2、R R3 3可选用本仪器配可选用本仪器配备的可调电阻箱备的可调电阻箱RaRa、RbRb、RcRc。其。其中中R R1 1也可以选用内部装有的三个也可以选用内部装有的三个标准固定电阻：标准固定电阻：10、100 、1000 。 RaRa、RbRb为两组同轴电为两组同轴

13、电阻箱，用五个十进位旋钮调节，阻箱，用五个十进位旋钮调节，保证保证 Ra=RbRa=Rb 。 华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/注意连线时不要短接！注意连线时不要短接！华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/平衡：平衡：R1=100 ，R2(Rb)=1000

14、,R3(Rc) 50010000500000R1RbRc华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/卧式：卧式：R2(Ra)=R3(Rb)=50,R1(Rc) 5000500050000RcRaRb华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/立式：立式：R1(Ra)=R2

15、(Rb)=100,R3 (Rc) 2.7KRaRbRc71000020000华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/* 加温的上限值不允许超过加温的上限值不允许超过100 ！ 温度控制器面板（部分）温度控制器面板（部分）8 0.01 9. 8最高加热温度最高加热温度华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技

16、大学物理实验中心 http:/http:/加热炉加热炉降温时可将加热炉盖子略微提起一些。降温时可将加热炉盖子略微提起一些。扭紧！扭紧！华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/实验步骤及数据处理要求实验步骤及数据处理要求: :1. 用平衡电桥测量用平衡电桥测量Cu50型铜电阻的温度特性型铜电阻的温度特性1）连接电路，选择）连接电路，选择“K=0.1” （R1=100，R2=1000 ），），将功能转换开关置于将功能转换开关置于“平

17、衡电桥平衡电桥”，选择，选择US=5V档档 ；2)按下按下G、B开关，调节开关，调节R3(RC)，使电桥达到平衡，记录室温，使电桥达到平衡，记录室温和室温下电阻值；和室温下电阻值；3）加热升温，每隔）加热升温，每隔3 测一个点，记录电阻值测一个点，记录电阻值R3和相应温和相应温度度t ，共测，共测10个点。个点。4）作铜电阻的温度特性曲线）作铜电阻的温度特性曲线 R(t)t ，从图上求出电阻温度，从图上求出电阻温度系数系数，并与理论值比较，求出百分误差。，并与理论值比较，求出百分误差。)/ 1 (004280. 0Co标华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/218.19

18、9.86.172/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/2. 用卧式电桥测量用卧式电桥测量Cu50型铜电阻型铜电阻R(t)及电阻温度系数及电阻温度系数 1）连接线路，调节桥臂电阻值使）连接线路，调节桥臂电阻值使R2=R3=R =50 （供参考，（供参考，可自行设计）；可自行设计）；2）预调平衡，将待测电阻接至）预调平衡，将待测电阻接至RX ，功能转换开关转至，功能转换开关转至“非非平衡电桥平衡电桥”，选择，选择“电压电压”输出，输出， 按下按下G、B开关按下，开关按下，调节调节R1（RC）使电压）使电压U0=0 ，记

19、下此时的温度，记下此时的温度t和和R1值；值；3）加热升温，每隔）加热升温，每隔3测一个点，记录电压值测一个点，记录电压值U0(t)和相应的和相应的温度温度t，共测，共测10个点。个点。4）最小二乘法求电阻值）最小二乘法求电阻值R0和温度系数和温度系数，写出经验方程。，写出经验方程。实验步骤及数据处理要求实验步骤及数据处理要求: :)1(0tRRt华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/3. 用立式电桥测量用立式电桥测量MF51

20、型热敏电阻的温度特性型热敏电阻的温度特性1)连接电路，调节桥臂电阻使连接电路，调节桥臂电阻使R1=R2=R=100 （供参考，（供参考，可自行设计）；可自行设计）；2)预调平衡，将待测电阻接至预调平衡，将待测电阻接至RX，功能转换开关转至，功能转换开关转至“非非平衡电桥平衡电桥”，选择，选择“电压电压”输出，按下输出，按下 G、B开关按下，开关按下，调节调节R3（RC）使电压）使电压U0=0 ，记下此时的温度，记下此时的温度t和和R3值；值；3)加热升温，每隔加热升温，每隔3 测一个点，记录电压值测一个点，记录电压值U0(t)和相应和相应的温度的温度t，共测，共测10个点。个点。4）作）作MF

21、51型热敏电阻的型热敏电阻的R(T)T和和 lnR(T)1/T曲线，曲线，并用最小二乘法求出材料常数并用最小二乘法求出材料常数Bn和和R0，写出经验方程。，写出经验方程。实验步骤及数据处理要求实验步骤及数据处理要求: :)/exp(0TBRRnt为T:为开氏度为开氏度华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/结果分析要求结果分析要求n比较用平衡电桥和非平衡电桥测得的铜电阻哪个更准确，比较用平衡电桥和非平衡电桥测得的铜电阻哪个更准确

22、，并分析原因。并分析原因。 华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/104321次次预置预置电压电压电阻电阻R1a=R2b=100 、R3c 2700 R1c 50 、R2a=R3b=50 R1=100、R2b=1000 、R3c 500 热敏电阻（立式电桥）热敏电阻（立式电桥）铜电阻（卧式电桥）铜电阻（卧式电桥）铜电阻铜电阻(惠斯通电桥惠斯通电桥)起始值起始值0起始值起始值0Rx()Rx()t()平衡桥：平衡桥：US=5.0V

23、R3()t()非平衡桥电压：非平衡桥电压：US=1.3VU0(mV)t()非平衡桥电压：非平衡桥电压： US=1.3V直流电桥原理与应用直流电桥原理与应用实验数据实验数据U0(mV)Rx()华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/1. 实验前和实验后，将控温器加热开关置于实验前和实验后，将控温器加热开关置于“断断”位，位，使使“B”、“G”开关弹起。开关弹起。2. 不得带电连线，应保证连线正确、可靠，切忌短路。不得带电连线，应保

24、证连线正确、可靠，切忌短路。3. 测量前不得随意打开控温器开关，以免提前使加热炉测量前不得随意打开控温器开关，以免提前使加热炉升温，影响测量。升温，影响测量。4. 传热铜块与传感器组组件，出厂时已由厂家调节好，传热铜块与传感器组组件，出厂时已由厂家调节好，不得随意拆卸，降温时，可以上提至炉口处。不得随意拆卸，降温时，可以上提至炉口处。5. 设定加温的上限值为设定加温的上限值为80，最高不允许超过，最高不允许超过100。6. 加热时，应关闭风扇电源开关。加热时，应关闭风扇电源开关。7. 实验完毕后，应关上仪器电源，整理好所用仪器，拆实验完毕后，应关上仪器电源，整理好所用仪器，拆线时捏住导线根部。

25、线时捏住导线根部。注意事项注意事项: :华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/实验操作步骤实验操作步骤连接导线（连接导线（平衡桥？卧式桥？立式桥？）平衡桥？卧式桥？立式桥？）功能选择功能选择（平衡桥？非平衡桥？电源电压？）（平衡桥？非平衡桥？电源电压？）设置参数设置参数（R1=？R2=？ R3=？ ）预调平衡预调平衡（ 调节调节RC，记下，记下 RC和对应的和对应的t读数）读数） 加热升温加热升温（每隔（每隔3 测一点，记录相

26、应测一点，记录相应10 组数据）组数据）实验结束实验结束（关上电源开关，整理好实验仪器）（关上电源开关，整理好实验仪器）华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/ 实验结束，关上仪器电源，实验结束，关上仪器电源，整理好所用仪器和导线。整理好所用仪器和导线。最后做完实验的最后做完实验的2 2位同学做好位同学做好值日卫生。值日卫生。华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/http:/

27、72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/1. 用平衡电桥测量用平衡电桥测量Cu50型铜电阻的温度特性型铜电阻的温度特性)004008. 01 (52.51)1 (0ttRRt3321KRRRRRt华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/2. 用卧式电桥测量用卧式电桥测量Cu50型铜电阻型铜电阻R(t)及电阻温度系数及电阻温度系数)003701. 01 (64.50)1 (0ttRRtSURUR04华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/72/华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 http:/http:/3. 用立式电桥测量用立式电桥测量MF51型热敏电阻的温度特性（型热敏电阻的温度特性（1）002)()(URRURURRRS华中科技大学物理实验中心华中科技大学物理实验中心 72/http:/218.199.86