非平衡直流電橋的原理和應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上非平衡直流電橋的原理和應(yīng)用【背景知識】直流電橋是一種精密的電阻測量儀器，具有重要的應(yīng)用價值。按電橋的測量方式可分為平衡電橋和非平衡電橋。平衡電橋是把待測電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行比較，通過調(diào)節(jié)電橋平衡，從而測得待測電阻值，如單臂直流電橋（惠斯登電橋）、雙臂直流電橋（開爾文電橋）；非平衡電橋則是通過測量電橋輸出（電壓、電流、功率等）并進(jìn)行運(yùn)算處理，得到待測電阻值。直流電橋還可用于測量引起電阻變化的其它物理量，如溫度、壓力、形變等，在檢測技術(shù)、傳感器技術(shù)中的應(yīng)用非常廣泛。平衡電橋只能用于測量具有相對穩(wěn)定狀態(tài)的物理量，而在實(shí)際工程和科學(xué)實(shí)驗中，很多物理量是連續(xù)變化的，只能采用非平衡

2、電橋才能測量?！緦?shí)驗?zāi)康摹勘緦?shí)驗采用FQJ型教學(xué)用非平衡直流電橋，該儀器集單臂、非平衡電橋于一體，通過本實(shí)驗?zāi)苷莆找韵聝?nèi)容：(1) 直流單臂電橋（惠斯通電橋）測量電阻的基本原理和操作方法；(2) 非平衡直流電橋電壓輸出方法測量電阻的基本原理和操作方法；(3) 根據(jù)不同待測電阻選擇不同橋式和橋臂電阻的初步方法。圖4.4.1 惠斯通電橋【實(shí)驗原理】1.平衡電橋單臂直流電橋是平衡電橋，又稱惠斯通電橋，其電路見圖4.4.1。其中、 構(gòu)成一電橋，、兩端加一恒定橋壓，、之間有一檢流計PA，當(dāng)電橋平衡時，、兩點(diǎn)為等電位，PA中無電流流過，此時有，于是有 （4.4.1）如果R4為待測電阻RX，R3為標(biāo)準(zhǔn)比較電

3、阻，則有 （4.4.2）其中，稱其為比率（一般惠斯登電橋的有、等。本電橋的比率可以任選）。根據(jù)待測電阻大小，選擇后，只要調(diào)節(jié)，使電橋平衡，檢流計為，就可以根據(jù)（4.4.2）式得到待測電阻之值。圖4.4.2 非平衡電橋2.非平衡電橋非平衡電橋原理如圖4.4.2所示：、 之間為一負(fù)載電阻，只要測量電橋輸出 、，就可得到值。根據(jù)電橋各臂電阻關(guān)系可將非平衡電橋分為三類：（1）等臂電橋：；（2）輸出對稱電橋（臥式電橋）：，且； （3）電源對稱電橋（立式電橋）：，且。當(dāng)負(fù)載電阻 ，即電橋輸出處于開路狀態(tài)時，僅有電壓輸出，在此用表示，根據(jù)分壓原理，半橋的電壓降為 ，通過、兩臂及、兩臂的電流為：， （4.4.

4、3） 則輸出電壓為 （4.4.4）當(dāng)滿足條件 （4.4.5）時，電橋輸出，即電橋處于平衡狀態(tài)。（4.4.5）式稱為電橋的平衡條件。為了測量的準(zhǔn)確性，在測量的起始點(diǎn)，電橋必須調(diào)至平衡，稱為預(yù)調(diào)平衡。這樣可使輸出只與某一臂電阻變化有關(guān)。若、固定，為待測電阻，并且其阻值隨某非電量x（如溫度、壓力等）變化而變化，即。若預(yù)調(diào)平衡后x發(fā)生變化，導(dǎo)致隨之變?yōu)?，此時因電橋不平衡而產(chǎn)生的電壓輸出為： （4.4.6）考慮到測量開始時已預(yù)調(diào)平衡，應(yīng)該有上式化為： （4.4.7）為簡便起見，可根據(jù)電阻變化率大小不同，導(dǎo)出不同情況下的電橋電壓輸出表達(dá)式。先分別討論如下：（1）若電阻變化較小時，即滿足時，公式（4.4.7

5、）分母中的項可略去，此時各種電橋的輸出電壓公式為： 等臂電橋 （4.4.8）臥式電橋 （4.4.9）立式電橋 （4.4.10）注意：上式中的和其均為預(yù)調(diào)平衡后的電阻。當(dāng)較小時，測量得到電壓輸出與成線性比例關(guān)系。測得輸出電壓后，可通過上述公式運(yùn)算得或，從而求得。同時由（4.4.8）（4.4.10）式可知，在、相同的情況下，等臂電橋、臥式電橋輸出電壓比立式電橋高，因此靈敏度也高，但立式電橋測量范圍大，可以通過選擇、來擴(kuò)大測量范圍，、差距愈大，測量范圍也愈大。（2）若電阻變化很大，即條件不成立時，上面的近似公式不再適用。此時利用精確公式（4.4.7）可得各種橋式電橋的輸出電壓公式：等臂電橋 （4.4

6、.11）臥式電橋 （4.4.12）立式電橋 （4.4.13）【實(shí)驗儀器】1.FQJ型教學(xué)用非平衡電橋圖4.4.3FQJ型非平衡電橋面板FQJ型非平衡電橋是專門為教學(xué)實(shí)驗而設(shè)計的，該儀器集單臂、非平衡電橋于一體，其面板如圖4.4.3。圖4.4.4待測電阻接法整個儀器的核心部分為面板中部的橋式電路，其中、和可選用本儀器配備的可調(diào)電阻箱(、)，也可以選用內(nèi)部裝有的標(biāo)準(zhǔn)電阻，有、三個阻值可供選擇，而處接待測電阻，它的兩個接線柱與儀器右上角的接線柱連通，因此也可以將待測電阻接在右上角的接線柱上（如圖4.4.4）。、為可調(diào)電阻箱，可根據(jù)不同的橋式選擇使用。其中、為兩組同軸電阻箱，共用五個十進(jìn)位旋鈕調(diào)節(jié)，保

7、證，調(diào)節(jié)范圍；包含六個十進(jìn)位旋鈕，調(diào)節(jié)范圍。電橋工作狀態(tài)可由“功率、電壓選擇”旋鈕調(diào)節(jié)。該旋鈕中“平衡”區(qū)有三檔電壓供單臂電橋測量時選用。“非平衡”區(qū)也有三檔，其中“電壓”檔表示電橋“橋”上的“”可認(rèn)為是無窮大，不消耗功率；“功率”測量小電阻時用，采樣電阻“”為，內(nèi)部線已聯(lián)通，阻值可調(diào)；“功率”測量大電阻時用，采樣電阻“”為，內(nèi)部線已聯(lián)通，阻值可調(diào)?！半妷骸?、“功率”、“功率”三檔的工作電壓均為。該儀器還設(shè)有G、B兩個按鈕，G按鈕是數(shù)字電表控制開關(guān)，B按鈕是電橋電源開關(guān)。2.FQJ非平衡電橋加熱實(shí)驗裝置該裝置由加熱爐及溫度控制儀兩大部分組成。其結(jié)構(gòu)及連接見下圖。圖4.4.5 加熱爐、溫度控制儀

8、實(shí)物照片及連接方法加熱：“加熱選擇”開關(guān)分為“、2、”三檔，由“斷”位置轉(zhuǎn)到任意一檔，即開始加熱，升溫的高低及速度以“”檔為最低，“3”檔為最高、最快。加熱升溫時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際升溫需求，選擇加熱檔位。降溫：實(shí)驗過程中或?qū)嶒炌戤?，可能需要對加熱銅塊或加熱爐體降溫，此時可以開啟控溫儀面板上的“風(fēng)扇開關(guān)”使?fàn)t體底部的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，達(dá)到使?fàn)t體加快降溫的目的。3.待測電阻(1) Cu50型銅電阻這是一種線性電阻，具有正的溫度系數(shù)，為時的阻值，為溫度系數(shù)，其理論值。(2) 熱敏電阻本實(shí)驗采用型半導(dǎo)體熱敏電阻。該電阻是由一些過渡金屬氧化物（主要用等氧化物）在一定的燒結(jié)條件下形成的半導(dǎo)體金屬氧化物作為基本材料制成，

9、具有型半導(dǎo)體的特性，對于一般半導(dǎo)體材料，電阻率隨溫度變化主要依賴于載流子濃度，而遷移率隨溫度的變化相對來說可以忽略。但上述過渡金屬氧化物則有所不同，在室溫范圍內(nèi)基本上已全部電離，即載流子濃度基本上與溫度無關(guān)，此時主要考慮遷移率與溫度的關(guān)系。隨著溫度升高，遷移率增加，電阻率下降，故這類金屬氧化物半導(dǎo)體是一種具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻元件，其電阻-溫度特性見表4.4.1。根據(jù)理論分析，其電阻-溫度特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式通?？杀硎緸?(4.4.14)式中， 分別為和時熱敏電阻的電阻值；為材料常數(shù)，制作時不同的處理方法其值不同。對于確定的熱敏電阻，可以由實(shí)驗測得的電阻-溫度曲線求得。我們也可以把上式寫成比較簡

10、單的表達(dá)式 (4.4.15)式中,為玻爾茲曼常數(shù)()。熱敏電阻之阻值與為指數(shù)關(guān)系，是一種典型的非線性電阻。表4.4.1 型熱敏電阻的電阻-溫度特性（供參考）溫度 253035404550556065電阻 (）2700222518701573134111601000868748【實(shí)驗內(nèi)容】1.用惠斯登電橋測量銅電阻(1) 連接線路（如圖4.4.6）；(2) 選擇適當(dāng)?shù)?，同時調(diào)節(jié)()使，將轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“平衡”，電壓選擇5V；(3) 按下G、B開關(guān)，調(diào)節(jié)()，使電橋平衡（電流表為零），記錄室溫和室溫下電阻值，然后開始升溫，每隔3測一個點(diǎn)，記錄電阻值和相應(yīng)溫度，共測10個點(diǎn)，自行設(shè)計數(shù)據(jù)表格。圖4.4

11、.6 惠斯通電橋電路連接圖2.用臥式電橋測量銅電阻圖4.4.7 臥式電橋電路連接圖(1) 按圖4.4.7連接線路；(2) 調(diào)節(jié)橋臂電阻值使（供參考，可自行設(shè)計）；(3) 預(yù)調(diào)平衡，將待測電阻接至，功能轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至電壓輸出， G、B開關(guān)按下，調(diào)節(jié)使電壓，記下此時的溫度和值；(4) 開始升溫，每隔3測一個點(diǎn)，記錄電壓值和相應(yīng)的溫度，共測十個點(diǎn)。3. 用立式電橋測量熱敏電阻考慮到熱敏電阻的阻值隨溫度變化較大，這部分測量采用立式電橋。(1) 如圖4.4.8連接線路；圖4.4.8 立式電橋電路連接圖(2) 調(diào)節(jié)橋臂電阻使；(3) 預(yù)調(diào)平衡，步驟與上面類似；(4) 開始升溫，每隔3測一個點(diǎn)，共測10個點(diǎn)。【數(shù)據(jù)處理】(1) 根據(jù)平衡電橋測量的數(shù)據(jù)作Cu50型銅電阻的曲線，由此求出電阻溫度系數(shù)，與理論值比較，求出百分誤差，并寫出表達(dá)式。(2) 根據(jù)由非平衡電橋測量的數(shù)據(jù)作Cu50型銅電阻的曲線，用最小二乘法求0時的電阻值和溫度系數(shù)。(3) 根據(jù)由非平衡電橋測量的數(shù)據(jù)作MF51型熱敏電阻的曲線，并用最小二乘法擬合曲線，求出材料常數(shù)，得出經(jīng)驗方程。【注意事項】(1) 實(shí)驗開始前。所有導(dǎo)線，特別是加熱爐與控溫儀之間的信號輸入線應(yīng)連接可靠；(2) 測量前不得隨意打開控溫器開關(guān)，以免提前使加熱爐升溫，影響測量；(3) 傳熱銅塊與傳感器組組件，出廠時已由廠家調(diào)節(jié)好，不得隨意拆卸