测温电桥的电路设计、安装与使用

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1、312实验三十二 测温电桥的电路设计、安装与使用Experiment 32 Designing and assembling and operating temperature-measuring bridges温度是国际单位制（SI）中7个基本物理量之一，它与人类生存和社会发展 有着十分密切的关系，在工农业生产、 科学研究、医疗卫生和人们的日常生活中 都离不开对温度的测量。测温方法可分为接触测温法和非接触测温法。接触测温法就是测温敏感元件 与被测物体直接接触的方法，水银温度计、电阻温度计、噪声温度计、石英频率温度计、热电偶等都是直接接触测温的仪 器；非接触测温法是测温敏感元件不与被 测物体直

2、接接触的方法，目视光学高温计、 光电高温计、光谱高温计、比色温度计、 热像仪等都是非接触测温的仪器。测温电桥的感温元件是热敏电阻，它 把温度信号变成电信号，从而实现了非电量的电测法测量。值得提出的是，电量测量是现代测量技术中最简便的测量技术, 不但测量装置简单、造价低、灵敏度高，而且容易实现自动测量和自动控制，是 测量技术中的一个重要发展趋势。本实验要求实验者根据热敏电阻的温度特性来 设计和安装一台指针式测温电桥。实验原理 Experimental principle1 负温度系数热敏电阻的温度特性(temperature characteristic of n egative tempera

3、ture coefficie nt thermal resistor)热敏电阻按其温度特性可分为正温度系数型、负温度系数型及开关型三大 类。其中负温度系数热敏电阻是以锰、钻、镍、铜和铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制成。这些金属氧化物都具有半导体性质，温度底时，载流子数目小，因此阻值高；温度升高时，载流子数目急剧增加，因此阻值急剧下降，如图 1所示，其方程表示为BRT -AeT(1)式中A,B是与材料有关的常数。由(1)式看出，只要测出阻值Rt的变化就 能推测出温度T的变化。2. 非平衡电桥(non-equilibrium electric bridge)非平衡电桥电路如图2所示，当R二

4、R2 (对称 电桥)及R二R3时，电桥平衡，G指零，如果Rt的 阻值发生变化，则电桥的平衡条件被破坏， G中就 有电流通过，指针发生偏转，偏转越大，说明 R变 化也越大。根据桥路的基尔霍夫方程，则有I 1R1 I g Rg - I 2 R3 0丨1 Tg R2 - 丨2 Ig Rt - IgRg =0I2R3 I2 Ig Rt =UcdRi = R2解得lgRRt Ucd( 2)2(RgR3 +R3R + RtRg )+R(R3 + Rt )由式(2)看出，在R(R2),R,Rg及Ucd恒定条件下，lg的大小唯一地由Rt值 来确定，因而有可能根据G偏转的大小来 直接指示温度的高低。3. 测温电

5、桥的实验电路(experimentalcircuit of thermometric bridge)如图3所示，测温电桥电路与图2相比有三点不同：1) 增加一个发光二极管 LED，作为电源指示。2) 检流计G换成微安表头。LED图3热敏电阻温度计的实验电路图3) 最重要的改动是在bd支路中增加一个“校准”支路，当 K2扳至“校”时, 测温电桥处于“校准”状态，当 K2扳至“测”时，测温电桥处于“测量”状4. 电路参数的设计与计算 (designing and calculation of circuit parameters)图3电路中需要设计或计算的参数有四个，下面分别介绍：1) Ucd。不

6、可过高，否则流过Rt的电流过大，会使Rt产生自热现象而造成对环 境温度的干扰；Ucd也不可过低，否则微安表不能正常工作。根据实验所用Rt的 额定工作电流及微安表的量程，建议取 1.3V o2) R3 o R3值的大小与测温电桥的下限温度t1 C有关。当环境温度为t1 C, Rt值为Rti时，微安表应指零。对于对称电桥（R =R2）来说，R3必须等于Rti 3） Ri R2。如果测温电桥的上限温度为tjC，则有：R二R2I g = I gm （桥路中G的满偏电流）将R3 = Rt1及(3)式带入(2)式得I _(Rt1 -Rt2)Ucdgm =2(RgRtR1R2R2&)R(RtiRt2)解出(

7、Rti -Rt2)Ucd2(RgRt1Rt1Rt2Rt2Rg)Ri :(Rti +Rt2)lgmRti * Rt2(3)(4)(5)（5）式中Rti、Rt2在Rt的温度特性曲线上查出，Ig和Rg由实验室给出4）R4。给测温电桥通电进行温度测量时，必须首先将K2扳至“校”，目的是为了校准工作电压Ucd，使其刚好等于设计值（i.3V），这一操作程序的目的 也是为了校准刻度值，使Rt二Rt2时，Ig =lgm，与（4）式完全符合。令R4二尺2 就相当于把Rt置于温度为t2 C的环境中，此时微安表应满偏，与（3）式完全符 合。如果微安表未能满偏，则说明 Ucd与设计值不符，需要仔细调节 R，直至微安表

8、满偏。这一步完成后，才能讲扳至“测”5. 定标曲线（calibration curve），进入测量状态图4定标曲线将电路中个元件按上述设计值安装完成 后，就可以进行温度测量了。但微安表指示值 是电流值而不是温度值。怎样才能通过微安表 的偏转来读出相应的温度值呢？办法之一就是 通过定标实验来描绘出一条定标曲线，如图 所示。有了定标曲线，就可以找到与任一电流值Igi相对应的温度值tj。6. 测温操作程序（thermometric operating procedure）使用该测温电桥应按下列顺序操作：1）把探头Rt置于被测环境中，接通 心，指示灯亮，微安表中有电流通过，指 针应有一定偏转。2）心扳

9、向“校”，因支路电阻值发生变化，所以指针的偏转量也将发生变化， 调节R，使其指针指向igm （满偏）。3）K2扳向“测”，微安表指示某一值，查定标曲线，找到对应的温度值。实验要求 Experimental request要求实验者在给定条件下独立设计参数、安装和调试，组装成一台测温电桥（见图5）。然后用它和另外一标准温度计进行对比测量，并对测量误差做出初步得分析。实验装置 Experimental device1）测温电桥安装板，如图5所示。板上安 装一块160 A的电流表、5个电位器、17个 接线柱、按键开关K1、单刀双掷开关K2、 发光二极管LED限流电阻Rl及导线。由实 线画出的连线已经

10、焊好，由虚线画出的连线 由实验者自己连接。图5热敏电阻温度计配线图2）两节1号电池（或直流稳压电源）。3）负温度系数热敏电阻Rt及其温度特性曲线。4）标准电阻箱一台和两只等值电阻。5）指针式检流计一台。6）体温计和水银温度计。实验步骤与提示 Experimental step and prompt1. 按（5）式计算出Ri R2并把它们调节到设计值。（提示：利用两只等值 电阻箱、一台标准电阻箱组成惠斯登电桥的三个桥臂，第四个桥臂（测量臂）由R R2担任。）2. 调R3使得R3=R.i。（提示：按图3把R撤下，接入标准电阻箱Ro , K2扳至“测”。令Ro二Rt!，再调R3，当电桥平衡时，R3二

11、Ri 0）3. 调R4使得R4 =Rt2。（提示：R3调好后，令R。二R2，调R使微安表满偏，再将K2扳至“校”，调节R4。）注意：当微安表指向何处时 R4 = Rt2 ?4. 定标实验。按表1数据描绘定标曲线。表1定标实验数据表t (C)2025303540455055606570Rt(kC)lg(A)提示：表中第2行数据通过查特性曲线得到，表中第3行数据通过实验得到。用 &代替Rt，Rt在各种温度下的阻值 Ro都可以实现。对比测量 Contrast measurement1. 用测温电桥与体温计同时测体温体温计指示t0 =C；测温电桥指示lg = A , t= Ct tc相对误差 E =

12、一0 100% =t02. 用测温电桥和水银银温度计同时测水温水银温度计指示t二0C；测温电桥指示lg二 U , t = 0C相对误差 E = 100% =t0思考题 Exercises1产生误差的原因可能有哪些？2. cd两点电压的确定要考虑哪些因素，本实验建议取值为多少？实验中如何实现？关键词Key word热敏电阻 thermistor,温度特性 temperature characteristic,非平衡电桥 unbalanee bridge, 定标曲线 calibrated curve仓U新园地 Innovation garden1有人说，图3电路中的状态选择开关K2可以省掉，R4也可以省掉。这种说法是否有道理？为什么?2请运用电桥平衡原理来设计一台测温装置测温电桥。本实验装置中微安表改换成灵敏电流计，这时 R3 应有怎样的功能？3有资料显示，有四十余种物理效应随温度而变化，并且已经利用这些效应制成了温度计。请你去查阅相关资料， 然后尽可能多地列举出这些物理效应的名称322