测温电桥的路设计、安装与使用

《测温电桥的路设计、安装与使用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测温电桥的路设计、安装与使用（11页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、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 operatingtemperature-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接接触的方法

2、， 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，它图 1 负温度系数热敏电阻的温度特性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 ofneg

3、ativetemperature coefficient 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、 钴、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BRTAe T（ 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

4、平衡电桥电路如图2 所示，当 R1R2（对称电桥）及 RtR3 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Rt 变化也越大。根据桥路的基尔霍夫方程，则有图 2 非平衡电桥I 1R1I g RgI 2R30I 1I g R2I 2I g Rt I g Rg 0I 2R3I 2I g RtU cdR1R2解得I gR3Rt U cd（2）2 Rg R3R3 RtRt Rg R1 R3 Rt由式（2）看出，在 R1 (R2 ), R3 , Rg 及 U cd 恒定条件下， I g 的大小唯一地由 Rt 值来确定，因而

5、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 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。图 3 热敏电阻温度计的实验电路图2) 检流计 G 换成微安表头。3) 最重要的改动是在 bd 支路中增加一个“校准”支路，当 K 2 扳至“校”时，测温电桥处于“校准”状态，当 K 2 扳至“测”时，测温电桥处于“测量”状态。4. 电路参数的设计与计算 (designing and calculation of circu

6、it 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) U cd 。不可过高，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； U cd 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。2) R3 。R3 值的大小与测温电桥的下限温度 t1 有关。当环境温度为 t1 ， Rt 值为 Rt1 时，微安表应指零。对于对称电桥（R1 R2 ）来说， R3 必须等于 Rt1 。3) R1 R2。如果测温电桥的上限温度为t2 ，则有 ： RtRt 2I g I gm （桥路中 G的满偏

7、电流）（ 3）将 R3 = Rt1 及（ 3）式带入（ 2）式得I gm(Rt1Rt 2 )U cd（ 4）2( Rg Rt1Rt 1 Rt 2Rt 2 Rg ) R1 (Rt1Rt 2 )解出R1(Rt1Rt 2 )U cd2( Rg Rt1Rt 1Rt 2Rt 2 Rg )(Rt1Rt 2 )I gmRt1 Rt 2（5）（5）式中 Rt1 、 Rt 2 在 Rt 的温度特性曲线上查出， I g 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K 2 扳至“校”，目的是为了校准工作电压U cd ，使其刚好等于设计值（1.3V），这一操作程序的目的也是为了校准刻

8、度值，使RtRt 2 时， I gI gm ，与（ 4）式完全符合。令 R4Rt 2就相当于把 Rt 置于温度为 t 2 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U cd 与设计值不符，需要仔细调节R ，直至微安表满偏。这一步完成后，才能讲扳至“测”，进入测量状态。5. 定标曲线 (calibration curve)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4所示。有了定标曲线，就可以找到与任一电流图 4 定标

9、曲线值 I gi 相对应的温度值 ti 。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K1 ，指示灯亮，微安表中有电流通过，指针应有一定偏转。2) K 2 扳向“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 I gm （满偏）。3) K 2 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

10、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 K 2 、发光二极管 LED 限流电阻 RL 及导线。由实线画出的连线已经焊好，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 s

11、tep and prompt1按（ 5）式计算出 R1 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 R1 R2 担任。）2 调 R3使得 R3Rt1 。（提示：按图 3 把 Rt 撤下，接入标准电阻箱 R0 ， K 2扳至“测”。令 R0 Rt1 ，再调 R3 ，当电桥平衡时， R3Rt 1 。）3 调 R4使得 R4Rt 2 。（提示： R3 调好后，令 R0Rt 2 ，调 R使微安表满偏，再将 K 2 扳至“校”，调节 R4 。）注意：当微安表指向何处时R4Rt 2 ？4 定标实验。按表 1 数据描绘定标曲线。表

12、 1定标实验数据表（）2025303540455055606570tR t( k)I g(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R0 代替 Rt ， Rt 在各种温度下的阻值R0 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=0C；测温电桥指示 I g =A ， t=0C相对误差 Et t0100% =t 02用测温电桥和水银银温度计同时测水温水银温度计指示 t00C；测温电桥指示 I gA ， t0C相对误差 Et t0100% =t0思考题Exercises1产生误差的原因可能有哪些？

13、2cd 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unbalance bridge, 定标曲线 calibrated curve创新园地 Innovation garden1有人说，图 3 电路中的状态选择开关K 2 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。