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非平衡电桥的原理和应用实验讲义
2015-01-27 16:32 吕江  理学院物理实验中心

非平衡电桥的原理和应用

课时:3学时

教材:补充讲义

简介: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。以往在教学中往往只做平衡电桥实验。近年来,非平衡电桥在教学中受到了较多的重视,因为通过它可以测量一些变化的非电量,这就把电桥的应用范围扩展到很多领域,实际上在工程测量中非平衡电桥已经得到了广泛的应用。

实验重点:

使用非平衡电桥原理来测量电阻阻值。

难点:

非平衡电桥与平衡电桥的区别

教学目的:

1. 掌握非平衡电桥的工作原理以及与平衡电桥的异同。

   2. 掌握利用非平衡电桥的输出电压来测量电阻阻值(或温度)

教学方法:

讲授法和演示法

实验要求:

 1.了解非平衡电桥箱中各按钮的功能,按需求连接电路形成电桥。

2.了解温度传感器的温度控制方法。

3.使用非平衡电桥法测量待测电阻随温度的变化关系。

实验仪器:

1DHQJ-3型非平衡电桥

DHQJ-3型非平衡电桥试验仪是一种集成的电桥试验装置,有内置电压表测量电桥的输出电压,其仪器面板如图1所示。

 

 

 

 

 

 

 


1 DHQJ-3型非平衡电桥

1—工作电源负端2R1电阻端3R2电阻端45—双桥电流端6R3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

1114R1电阻调节盘1518R2电阻调节盘1922R3电阻调节盘

23—非平衡电桥和双桥的电压E调节24—电源选择开关25—电桥输出转换开关

2627为电桥输出“外接”端28—量程选择开关 29-G按钮工作电源 30电桥输出

2DHW-1型温度传感实验装置

2 DHW-1型温度传感仪内部结构示意图

1、风扇开关  2、风扇电压输入插座  3、底座  4、风扇  5、隔离圆筒  6、测温传感器

7、测试圆铜块 8、加热器  9、被测传感器   10、隔离块  11、加热电流输入插座

12、信号输出插座  13、隔热层

DHW-1型温度传感实验装置是为配合DHQJ系列非平衡电桥在实验过程中测试时配套使用的实验装置。该实验装置也可配合电桥测量温度传感器的温度特性曲线,传感器配有铜电阻和热敏电阻。该仪器的控温范围为室温~150(不具备降温功能,所以要选择好起始温度),温度控制精度为±0.2,自带温度传感器的分辨率为0.1。其装置结构如图2所示。

实验原理:

非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似,如图3所示。但测量方法上有很大差别。平衡电桥是调节R3使I0=0,从而得到非平衡电桥则是使R1R2R3保持不变,RX变化时则U0变化。再根据U0RX的函数关系,通过检测U0的变化从而测得RX。由于可以检测连续变化的U0,所以可以检测连续变化的RX,进而检测连续变化的非电量。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


3 非平衡电桥工作原理图

根据戴维南定理,在RL=∞时,等效电源电压值为:

                                                (1)

等效内阻为

           (2)

电桥接有负载RL时输出电压:

                                                      (3)

电压输出的情况下RL→∞,所以有

(4)

Rx=RX0+ΔRRx为被测电阻,ΔR为电阻变化量。RX0为其初始值,此时电桥平衡,有,所以

                                                      (5)

因为,所以,代入上式有

 

 

 

 


                                                         (6)

上式就是非平衡电桥的输出与被测电阻的函数关系。

一般来说,金属的电阻随温度的变化,可用下式描述:

         Rx=RX01+αt+βt2(8)

铜电阻传感器RX0=50Ω(t=0时的电阻值)α=4.289×10-3  /β=-2.133×10-7 /

通常在温度不是很高的情况下,忽略温度二次项βt2可将金属的电阻值随温度变化视为线性变化即

Rx=RX01+αt= RX0 +αtRX0

所以R=αRX0Δt,代入(6)式有

                                                          (9)

 

式中的αRX0值可由以下方法测得:取两个温度t1t2,测得RX1RX2

(10)

这样可根据(6)式,由电桥的输出U0求得相应的温度变化量Δt从而求得t=t0+Δt

特殊地,当ΔR<< RX0时,(6)式可简化为 

                                                       (11)

这时U0Δt成线性关系

实验步骤:

(一)、用平衡电桥测量热敏电阻

首先将电调连接成单臂单桥,连接方法如图4所示。将123端钮用短导线连接, 89两端钮也用短导线连接。被测电阻Rx接至78两接线端钮。首先将DHW-1型温度传感实验装置的待测电阻端接到单电桥测量。

 

 

 

 

 


 

2 单臂电桥连接示意图 

先后按下GB按钮,调节R3电阻,直至数显表头指示为零,这时表示电桥已经平衡,如果灵敏度太低,可将工作电源由3V加到6V9V

调节控温仪,使热敏电阻升温。每隔一定温度,测出,并记下相应的温度t于表1

根据测量结果作RX―t曲线,由图求出,试与理论值比较,并作图求出某一温度时的电阻值RX()=Ω。

(二)、用非平衡电桥测量热敏电阻

预调电桥平衡,起始温度可以选室温或测量范围内的其他温度。

选等臂电桥或卧式电桥做一组U0ΔR数据。将DHW-1型温度传感仪的“热敏电阻”端接到非平衡电桥输入端。调节合适的桥臂电阻,使U0=0,测出RX0=Ω,并记下初始温度t0=

调节控温仪,使铜电阻升温,根据数字温控表的显示温度,读取相应的电桥输出U0ΔR的值根据公式可求得:。每隔一定温度测量一次,记录于表2

根据测量结果作U0―t曲线,由图求出试与平衡电桥法比较,并作图求出某一温度时的电阻值RX()=Ω

实验数据:

1 热敏电阻随温度的变化关系

度(℃)

铜电阻RX

 

2 非平衡电桥法测量温度

度(℃)

U0mV

ΔR

铜电阻RX

注意事项:

测量的时候一定要注意,在温度示数稳定后,再等待几分钟。 

 

 

 

 

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