非平衡直流电桥的原理和应用

1、.1非平衡直流电桥的原理和应用直流电桥是一种精细的电阻测量仪器，具有重要的应用价值。按电桥的测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥。平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进展比较，通过调节电桥平衡，从而测得待测电阻值，如单臂直流电桥惠斯登电桥、双臂直流电桥开尔文电桥。它们只能用于测量具有相对稳定状态的物理量，而在实际工程中和科学实验中，很多物理量是连续变化的，只能采用非平衡电桥才能测量；非平衡电桥的根本原理是通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，再进展运算处理，从而得到引起电阻变化的其它物理量，如温度、压力、形变等。【实验目的】本实验采用型教学用非平衡直流电桥，该仪器集单臂、非平衡电桥于一体，

2、通过本实验能掌握以下容： 1直流单臂电桥惠斯登电桥测量电阻的根本原理和操作方法；2非平衡直流电桥电压输出方法测量电阻的根本原理和操作方法； 3根据不同待测电阻选择不同桥式和桥臂电阻的初步方法及非平衡电桥功率输出法测电阻； 4单臂电桥采用“三端法测量电阻的意义。【实验仪器】1.型教学用非平衡直流电桥；2.非平衡电桥加热实验装置。【实验原理】型教学用非平衡直流电桥包括单臂直流电桥，非平衡直流电桥，上节我们已经对单臂电桥有所了解，下面对非平衡电桥的工作原理进展介绍。图1 非平衡电桥原理图1非平衡电桥桥路输出电压非平衡电桥原理如图1所示，当负载电阻，即电桥输出处于开路状态时，仅有电压输出,并用表示，根

3、据分压原理，半桥的电压降为 ，通过两臂的电流为： 1 则上之电压降为：2同理上的电压降为：3输出电压为与之差 4当满足条件 时，电桥输出 ，即电桥处于平衡状态。5式就称为电桥的平衡条件。为了测量的准确性，在测量的起始点，电桥必须调至平衡，称为预调平衡。这样可使输出只与*一臂电阻变化有关。假设固定，为待测电阻，则当 时，因电桥不平衡而产生的电压输出为： 5 当，且电阻增量较小时，即满足 时，公式的分母中含项可略去，公式可得以简化,各种电桥的输出电压公式为： 6注意：上式中的和其均为预调平衡后的电阻。十分清楚，当满足时,测量得到电压输出与成线性比例关系，通过上述公式运算得或 ，从而求得或。2用非平

4、衡电桥测热敏电阻本实验采用型半导体热敏电阻进展测量。该电阻是由一些过渡金属氧化物主要用等氧化物在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为根本材料制成，具有型半导体的特性，对于一般半导体材料，电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对来说可以忽略。但上述过渡金属氧化物则有所不同，在室温围根本上已全部电离，即载流子浓度根本上与温度无关，此时主要考虑迁移率与温度的关系。随着温度升高，迁移率增加，电阻率下降，故这类金属氧化物半导体是一种具有负温度系数的热敏电阻元件，其电阻-温度特性见表6。根据理论分析，其电阻-温度特性的数学表达式通常可表示为式中， 分别为和时热敏电阻的电阻值；为

5、材料常数，制作时不同的处理方法其值不同。对于确定的热敏电阻，可以由实验测得的电阻-温度曲线求得。我们也可以把上式写成比较简单的表达式 因此，热敏电阻之阻值与为指数关系，是一种典型的非线性电阻。式中 。为玻尔兹曼常数(焦耳/开尔文)。【实验容及方法】1. 非平衡直流电桥实验容及方法：型非平衡直流电桥之三个桥臂及，其中由同轴双层(同步变化的电阻盘)电阻箱组成，则由电阻箱组成，调节围在，负载电阻由1个的多圈电位器粗调和1个多圈电位器细调串联而成，可在围调节。数字电压表量程。功率1为，采样电阻，用于测量的较小电阻。功率2为 ，采样电阻，用于测量电阻。电压输出时，允许变化率向上变化到达，向下变化为。2.

6、 非平衡电桥电压输出形式测电阻，测量围：。确定各桥臂电阻。使，左右供参考，可自己另行设计预调平衡，将待测电阻接至，功能、电压转换开关转至“电压输出，按下微调 使电压输出 。改变，记录理论值，并记下相应的电压变化值 。根据6计算出的实验值，其中。计算出实验值和理论值的相对误差。3. 测量铜电阻配用非平衡电桥加热装置 1非平衡电桥电压输出形式测量铜电阻 确定各桥臂电阻值。设定室温时之铜电阻值为查表使选择供参考，可自行设计 预调平衡，将待测电阻接至，功能转换开关转至电压输出，按钮按下，微调 使电压 开场升温，每测量1个点，同时读取温度和输出,连续升温，分别将温度及电压值记录入表1。 表 1 温度和电

7、压记录表温度数据处理：根据6式求出各点之和值，用最小二乘法求时的电阻值和，计算的不确定度。4. 热敏电阻的测量1采用非平衡电桥的电压输出测量热敏电阻之，温度围从室温加热至。根据之电阻-温度特性研究桥式电路，并设计各桥臂电阻，以确保电压输出不会溢出预习时设计计算好。实验时可以先用电阻箱模拟，假设不满足要求，立即调整阻值。预调平衡a) 根据桥式，预调。室温时之电阻值为。b) 将功能转换开关旋至“电压输出，按下开关，微调使数字电压表为。升温，每隔测1个点，、利用测量数据按公式6计算得电阻值填入表2。表2 温度和电阻记录表温度 253035404550556065电阻 (【思考题】1测量电阻的原理是什

8、么.2与二端法测试电阻相比，三端法测试电阻有何优点.3使用双桥测量小电阻时为什么要使 ，如果不相等有何影响.4非平衡电桥在工程中有哪些应用.试举一、二例。5非平衡电桥之立式桥为什么比卧式桥测量围大.6当采用立式桥测量*电阻变化时，如产生电压表溢出现象，应采取什么措施.【附录一】表 5 铜电阻的电阻温度特性 温度0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 电阻值-5039.24-4041.40 41.18 40.97 40.75 40.54 40.32 40.10 39.89 39.67 39.46-3043.55 43.34 43.12 42.91 42.69 42.48 42.27 42.05

9、41.83 41.61-2045.70 45.49 45.27 45.06 44.84 44.63 44.41 42.20 43.98 43.77-1047.85 47.64 47.42 47.21 46.99 46.78 46.56 46.35 46.13 45.92-050.00 49.78 49.57 49.35 49.14 48.92 48.71 48.50 48.28 48.07050.00 50.21 50.43 50.64 50.86 51.07 51.28 51.50 51.81 51.931052.l4 52.36 52.57 52.78 53.00 53.21 53.43

10、53.64 53.86 54.072054.28 54.50 54.71 54.92 55.14 55.35 55.57 55.78 56.00 56.213056.42 56.64 56.85 57.07 57.28 57.49 57.71 57.92 58.14 58.354058.56 58.78 58.99 59.20 59.42 59.63 59.85 60.06 60.27 60.495060.70 60.92 61.13 61.34 61.56 61.77 61.93 62.20 62.41 62.636062.84 60.05 63.27 63.48 63.70 63.91 6

11、4.12 64.34 64.55 64.767064.98 65.19 65.41 65.62 65.83 66.05 66.26 66.48 66.69 66.908067.12 67.33 67.54 67.76 67.97 68.19 68.40 68.62 66.83 69.049069.26 69.47 69.68 69.90 70.11 70.33 70.54 70.76 70.97 71.1810071.40 71.61 71.83 72.04 72.25 72.47 72.68 72.90 73.11 73.3311073.54 73.75 73.97 74.18 74.40

12、74.61 74.83 75.04 75.26 75.4712075.68 【附录二】表 6 型热敏电阻的电阻-温度特性供参考温度 253035404550556065电阻 (2700222518701573134111601000868748【附录三】其它说明：1.仪器面板中间桥路图中的“已在仪器部与面板右上角的“、“接线柱接通，参见【附录四】的图2。2.“功能、电压选择开关中的“平衡区块有三档电压，供单臂电桥测量时选用。“非平衡区块也有三档，其中“电压档表示电桥“桥上的“无穷大，不消耗功率；“功率1测量小电阻时用，采样电阻“为10，部线已连通，阻值可调；“功率2测量大电阻时用，采样电阻“为

13、1000，部线已连通，阻值可调。3功率输出时负载电阻。4.“电压、“功率1、“功率2三档的工作电压均为1.3V。【附录四】 FQJ-2型非平衡直流电桥加热实验装置一、概述型非平衡直流电桥加热实验装置，是专为系列非平衡直流电桥在实验过程中配套使用的装置。该装置具有以下特点： 1加热温度可自由设定不超过上限值 2系列智能双数显调节仪，控温精度高 3装置配装有铜电阻，热敏电阻，增加了实验容 4加热装置电源输入为低电压，并通过变压器隔离，平安可靠 5装置装有风扇，根据实验的需要，可强制加速降温 6装置构造新颖，紧凑合理二构造和连接：该装置由加热炉及温度控制仪二大局部组成。其构造及连接见以下列图3。三使

14、用说明：1、使用前，将温控仪机箱底部的撑架竖起，以便在测试时方便观察及操作。 2、实验开场前，应连接好温控仪与加热炉之间的导线，根据实验容，用导线把“铜电阻或“热敏电阻接线柱与非平衡电桥的“端相接。实验装置的加温操作步骤如下： 1温度设定：根据实验温度需要，设定加热温度上限，其方法为：开启温控仪电源，“显示屏显示的温度为环境温度。按“键0.5秒，“显示屏显示“，说明温控仪进入设置状态，这时，“显示屏最低位数字闪烁，表示这一位可以用“上调或“下调键调整大小，每按一次“位移键，闪烁位随即移动一位，即调节位改变，如此，即可把需要上限温度设置好。设置完毕，再按一下“键，设置程序完毕。这时“显示屏显示加

15、热炉实时温度，“显示屏 显示设置上限温度。温控仪进入“测量状态。在温度设定时，仪器上“加热选择开关置于“断处图3 非平衡直流电桥构造图2加热：根据环境温度和所需升温的上限及升温速度来确定温控仪面板上“加热选择开关的位置。该开关分为“三档，由“断位置转到任意一挡，即开场加热，升温的上下及速度以“档为最低、最慢，“档为最高、最快 ，一般在加热过程中温度升至离设定上限温度时，应将加热档位降低一档，以减小温度过冲。总之：在加热升温时，应根据实际升温需求，选择加热档位；加热档位的选择可参考：环境温度与设定温度上限之间的差距为时，宜选择“档；当差距大于时，宜选择“档。由于温度控制受环境温度、仪表调节、加热电流大小等诸多因素的影响，因此实验时需要仔细调节，才能取得温度控制的最正确效 3 测量：在加热过程中，根据实验容，调节系列非平衡直流电桥，可进展铜电阻或热敏电阻特性的测量。测量时连接导线的直流电阻估计值为 左右 4降温：实验过程中或实验完毕，可能需要对加热铜块或加热炉体降温。降温时操作方法如下：将加热铜块及传感器组件升至一定高度并固定，开启温控仪面板中的“风扇开关使炉体底部的风扇转动，到达使炉体加快降温目的。如要加快加热铜块的降温速度，可断电后将加热铜块提升至加热炉外，并浸入冷水中。注意：放回炉体时，要先把水擦干