用非平衡电桥测量电阻

《用非平衡电桥测量电阻》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用非平衡电桥测量电阻（12页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、用非平衡电桥测量电阻【实验目的】1. 利用非平衡电桥测量电阻；2. 研究半导体热敏电阻的阻值和温度的关系。【实验方案】电桥按测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥。虽然它们都可以准确地测量电阻，但平衡电桥只能用于测量相对稳定的电阻值，而非平衡电桥能用于测量连续变化的电阻值。1.平衡电桥惠斯登电桥（平衡电桥）的原理如图1所示，调节R3使检流计G无电流流过时，C D两点等电位，电桥平衡，从而得到(1)2.非平衡电桥非平衡电桥也称不平衡电桥或微差电桥。图 负载电阻Rg。用非平衡电桥测量电阻时，是使 10变化。再根据U0与R的函数关系， 化的U），所以可以检测连续变化的（1）非平衡电桥的桥路形式1）等臂电

2、桥电桥的四个桥臂阻值相等，即2）输出对称电桥，也称卧式电桥 这时电桥的桥臂电阻对称于输出端，即3）电源对称电桥，也称为立式电桥这时从电桥的电源端看桥臂电阻对称，即4）比例电桥这时桥臂电阻成一定的比例关系，即 数。实际上这是一般形式的非平衡电桥。通过检测R。R=R=R=F4。2为非平衡电桥的原理图, R、R和R3保持不变， U0的变化从而测得R。R=R=R , R=R=R。且B、D之间为- R （即艮）变化时则 由于可以检测连续变R=R=R , FRs=F4=R,且 Rm R。R=KR, F3=K R4或 R=K Rs, F2=K & K 为比例系（2）R）相对桥臂电阻很大时的非平衡电桥（电压输

3、出形式）当负载电阻R即电桥输出处于开路状态时，Ig=0,仅有输出电压，用U）表示。ABC 半桥的电压降为 U （即电源电压），根据分压原理，通过 R、R两臂的电流为R1R3(2)则R3上的电压降为U BCR3R1R3(3)同理F4上的电压降为U DCR4R2 R4(4)输出电压U0为UBc与UDc之差，即U 0= U BC - U DCR3R1R3UsR4UR2RtR2 R3 - Ri R4(RR3)( R2R4)Us(5)当满足条件 RR = RR时，电桥输出U0=0，即电桥处于平衡状态。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。预调平衡可使输出只与某一臂的电阻

4、变化有关。若 R、R和R3固定，R为待测电阻，当 民因外界条件变化（如温度t）而变为R+A R时，此时因电桥不再平衡而产生的输出电压为Us(6)R2 R3 + R?也 R - Ri R4(Ri R3XR2 R4)：R(R2 R4)各种电桥的输出电压公式如下：等臂电桥（R=R=R=R=RU 一R也 R0 4R21)2)输出对称电桥(R=R=R,U0亡3)电源对称电桥(R=R=RU。二Us注意：上面（7）2RR.Us R 1 U s 二4 R 1 R2 R，且 R R)11R=R=RAR _頁二2 RRs=R=R,且 Rz R)RR(R R)2 R（9）式中的R和其R(7)(8)1AR1 . R

5、R均为预调平衡后的电阻。此外，当电阻增(9)量厶R较小时，即满足厶 R=R时，上面（7）（9）三式的分母中含厶 R项可略去，公式可 得以简化，这里从略。一般来说，等臂电桥和输出对称电桥的输出电压比电源对称电桥高，因此灵敏度也高，但电源对称电桥的测量范围大，可以通过选择R和R 来扩大测量范围， R和R 差距愈大，测量范围也愈大。在用非平衡电桥测电阻时，需将被测电阻R作为桥臂 R接入非平衡电桥，并进行预调平衡，这时电桥输出电压为 0。改变外界条件（如温度 t）,则被测电阻发生变化，这时电桥输出电压Ubz0,开始作相应变化。测出这个电压U0后，可根据（7）（9）式计算得到R从而求得R=F4+A Ro

6、Ug,也有输出电流lg,也3（ a）oUg（3）R相对桥臂电阻可比拟时的非平衡电桥（功率输出形式） 当负载电阻 R与桥臂电阻可比拟时，则电桥不仅有输出电压 就是说有输出功率，此种电桥也称为功率桥。功率桥可以表示为图图3非平衡电桥功率输出电路应用有源端口网络定理，功率桥可以简化为图3 （ b）所示电路。UBd为BD之间的开路电压，由（5）式表示，R 是有源一端网络等值支路中的电阻，其值等于该网络入端电阻R,参见图3 （c）,即(10 )R R3R2 R4尺r3r2r4由3 （b）可知，流经负载电阻 R的电流为BDRRgR2 R3 R1R4(R1 R3)(R2 R4 )Us(更 込Rg)RiR3R

7、2R4=UsR2 R3 - Ri R4(Ri R3XR2 Rt)Rg RiR3(R2 R4) R2R4(Ri R3)(11 )当|g=0时，有R2R3 -R1R0，这是功率桥的平衡条件，与（5）式一致，也就是说 功率输出形式与电压输出形式的非平衡电桥的平衡条件是一致的。最大功率输出时，电桥的灵敏度最高。当电桥的负载电阻 R等于输出电阻（电源内阻），Rg = RrR1 R3.R2 R4R1R3R2Rt(12)即阻抗匹配时，电桥的输出功率最大。此时电桥的输出电流由（11）式得lg 二UsR2R3 Ri R42R1 R3 ( R2R4) R2R4(R1 R3)(13)输出电压为=IgRgR2 r3

8、- r)r(R2 R4)(R1 R3)当桥臂 民的电阻有增量 R时，我们可以得到三种桥路形式的电流、电压和功率变化。测量时都需要预调平衡，平衡时的lg、Vg和Pg均为0,电流、电压和功率变化都是相对平衡状态时讲的。最大功率输出时，三种桥路形式的电流、电压和功率变化分别为:1）等臂电桥 R=R=R=F4=R,则有MgUs2 2R2(R ：R) R2(2R：R)Us=8RR2US R8 R12 R二丄(空)2164R R (1 3 R)(1R)4R 2R(15)2)输出对称电桥桥 R=R=R，R=F4=R，则有Us2Us2R2R 2RR. R 2R(R)2(R)2. ：R _4(R R)R R2R

9、 R R1亠2(R R)Us8(16)UgRRU|32(R R)3）电源对称电桥R=R=R空)2L_R r 2R R 2(R R)Rs=R=R,则有12RUs R4(R R) RUs RR=g 一 2 (R R)2 R1 -_2R R R 1 -2(R R) RR 1AR-1 -R R(17)& A AU；RFRAR 2Pg = I g U g-3()g g g 8(R R) R13R-1 -R R测得 I g和厶Ug后，很方便可求得功率 Pg, 其R 均为预调平衡后的电阻）可运算到相应的厶2R R :R1 - 2（R R） R通过上述相关公式（注意：上式中的R和厶甩，然后运用公式(18)可得

10、到 R 从而求得 RfR+A R当电阻增量 R较小时，即满足厶 R R时，上面（15）（17）三组公式的分母含 R项可略去，公式得以简化，这里从略。3.半导体热敏电阻（2.7k Q Mf51型）Mn Co Ni 和 Fe2.7k Q Mf51型半导体热敏电阻，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基本材料制成，具有P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，在室温范围内基本上已全部电离，即载流子浓度基本上与温度无关，此时主要考虑迁移率与温度的关系

11、。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，其电阻一温度特性见表1。根据理论分析，半导体热敏电阻的电阻一温度特性的数学表达式通常可表示为RtR25eBn(1/T/298)(19)其中R25和R分别为25 C和t C时热敏电阻的阻值，T = 273 + t ; B为材料常数，其值因制作时不同的处理方法而异，对确定的热敏电阻， 可以由实验测得的电阻一温度曲线求得。我们也可以把（19）式写成比较简单的表达式(20)Rt = ReBn/T其中R0 =R25e_Bn/298。可见热敏电阻的阻值 R与T为指数关系，是一种典型的非线性电阻。表12.7

12、KQ MI51型热敏电阻的电阻一温度特性（供参考）温度（C）253035404550556065电阻（0）2700222518701573134111601000868748【实验器材】DHQJ-3型非平衡电桥实验仪，桥臂电阻调节范围为10 Q11.11K Q,步进值为I Q。实验仪面板示意图如图 4所示。1、为工作电源负端；2、为R电阻端；3、为R2电阻端；45、为双桥电流端；6、为R 3电阻端；7、为单桥被测端；8、为R电阻端；9、为工作电源正端； 10、为数字电压表；1114、为R电阻调节盘，分别为X 1000、 x 100、x 10、x 1 电阻盘；1518、为R电阻调节盘，分别为X

13、1000、 x 100、x 10、x l 电阻盘；1922、为R和R 3电阻调节盘，分别为x 1000、x 100X 10、x | 电阻盘；23、为非平衡电桥和双桥的电压调节旋钮；24、为电源选择开关，分别可选：电压测量、双桥/非平衡、3V、6V、9V五种方式；25、为G （电桥输出）选择开关， 按向下为 内接，按向上为外接；2627、为G （电桥输出）外接端；28、为量程选择开关，按向下为200mV按 向上为2V；2930、为电桥的B G按钮，即工作电源 和电桥输出通断按钮。图4非平衡电桥实验仪面板示意图Us1Rp-LB11JR3* * *r*1 23456789图5非平衡电桥实验仪电路示意

14、图图5为实验仪内部电路示意图。R、R、R、Rs为桥臂电阻，其中 R、Rs联动调节;开关K为电桥输出转换开关，当拨向“内接”时，电桥上的输出电压通过数字电压表DVM显示，当拨向“外接”时，电桥上的输出电压通过“+”、“一”接线端输出至外接电压表显示；按纽B为桥路工作电源通断开关，按纽G为电桥输出通断开关；电阻RP为电源保护电阻；最下一排为9个接线端。实验仪内置的数字电压表，量程 1: 200mV量程2: 2V, 3位半显示，量程通过开关切 换；平衡电桥时作指零仪使用，非平衡电桥时作数字电压表使用。加热装置(含2.7K Q热敏电阻)。仪器使用注意事项：(1) 电桥使用时，应避免将R、R2, R3同

15、时调到零值附近测量，这样可能会出现较大 的工作电流，测量精度也会下降。(2) 仪器使用完毕后，务必关闭电源。(3) 电桥应存放于温度 OC 40C,相对湿度低于80%的室内空气中，不应含有腐蚀性 气体，避免在阳光下暴晒。仪器使用前的准备：(1) 用随实验仪配备的电源线将电桥连至220V交流电源，打开电桥后面的电源开关， 接通电源。(2) 若选择实验仪内置的数字电压表测量，则将实验仪的G (电桥输出)选择开关置于“内接”；若选择其它外部的电压表测量，则将G (电桥输出)选择开关置于“外接”，这时数显表不点亮。(3) 根据被测对象选择合适的工作电源。若做非平衡电桥和双桥(开尔文电桥)实验，则将电源

16、选择开关打向“双桥 /非平衡”；若作单桥和三端电桥实验，则根据被测阻值大小， 选择3V、6V、9V为工作电源；“电压测量”档用于测量电源电压U。【实验内容】1. 用输出对称非平衡电桥的电压输出形式测量热敏电阻(1) 根据所测热敏电阻的特性(见表1)设计各桥臂电阻(R、R2、R3和R0的阻值，以及电源电压US的大小，以确保电桥的电压输出不会溢出(预习时设计计算好)。(2) 根据图5所示的实验仪内部电路示意图，正确搭建输出对称电桥。(3) 预调平衡。按设计要求调节R、艮、R3。通过“电压调节”旋钮调节非平衡电桥的电源电压US为设计值；电源选择开关的“电压测量”档用来测量这时桥路的电源电压U。转动“

17、电源选择”开关至“双桥 /非平衡”。将待测电阻 R接入非平衡电桥实验仪，先后按 下G B按钮开关，微调桥臂电阻使数字电压表的电压U=0。记下预调平衡后的各桥臂电阻(R、Ra和R)如此可测出初始电阻 RU;记下初始温度t。(4) 调节控温仪升高温度，待测电阻R的阻值改变，相应的数字电压表的电压U0亦改变。每升温5C测一个点，列表记录温度 t和相应的电压Lfco2. 用电源对称非平衡电桥的电压输出形式测量热敏电阻用电源对称电桥重复以上实验步骤。【数据分析】1. 输出对称电桥(1) 根据(8 )式，由Lt计算得到厶R,进而得到 R= Rxo+A艮(2) 作 R t 图。(3) 根据式(20)式可得B

18、(21)求出F0和得出经验方程。In R =1 n R。n由此可知1nR与1/T成线性关系。用最小二乘法拟合该直线,2. 电源对称电桥数据处理的要求同上。比较两实验内容的结果，得出必要的结论。【思考题】1. 非平衡电桥与平衡电桥有何异同？2. 有人这样进行测量：先将温度设置为70C，然后持续通电加热，此时电阻的温度必然连续上升，于是他开始观察温度指示值，从室温开始每隔5C记录一次装置上显示的电压值。请问这样的操作方式正确吗？请说明理由。3. 你所设计的电桥在测量中途发生电表溢出时，应采取什么措施？4. 举例说明非平衡电桥可以应用在哪些工程技术中？【思维扩展】在非电量测量中，非平衡电桥有着广泛的应用。运用一些特殊的传感器可以将位移、变、压力、温度和真空度等非电量转变成电阻值，再运用非平衡电桥来测量这些电阻值，进而可以测量出这些非电量的数值。