直流电桥测电阻及组装数字温度计

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1、直流电桥测电阻及组装数字温度计一、实验目的（1）了解单电桥测电阻的原理，初步掌握直流单电桥的使用方法；（2）单电桥测量铜丝的电阻温度系数，学习用作图法和直线拟合法处理数据；（3）了解双电桥测量低电阻的原理，初步掌握双电桥的使用方法。（4）了解非平衡电桥的原理及应用，学习用非平衡电桥输出电压的方法测量热敏电阻温度特性的基本原理和方法，组装数字温度计。二、实验原理1．关于电桥电桥是一种利用电位比较法进行测量的仪器。它在电测技术中应用极为广泛，用它能测量很多电学量，如电阻、电容、互感、频率以及电介质和磁介质的特性等等。配合其它的变换器，还能用来测量某些非电量（如温度、湿度、微

2、小位移）。另外，在自动控制测量中，电桥也是常用的仪器之一。电桥的应用之所以这样广泛，其原因在于它具有很高的灵敏度和准确性。电桥可分为直流电桥与交流电桥。直流电桥是用来测量电阻或与电阻有关的物理量的仪器；交流电桥主要用来测量电容、电感等物理量。直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。直流单电桥（惠斯通电桥）适于测量10～106Ω中阻值电阻。直流双电桥（开尔文电桥）适于测量10-5～10Ω低阻值电阻。2．惠斯通电桥测电阻惠斯通电桥（单电桥）是最常用的直流电桥，右图是它的电路原理图。图中R1、R2和R是已知阻值的标准电阻，它们和被测电阻Rx连成一个四边形，每一条边被称作电桥的一个

3、臂。对角A和C之间接电源E；对角B和D之间接有检流计G，它像桥一样。若调节R使检流计中电流为零，桥两端B点和D点电位相等，电桥达到平衡，这时可得：I1R=I2Rx，I1R1=I2R2两式相除可得：只要检流计足够灵敏，上式就能相当好的成立，被测电阻Rx可以仅从三个标准电阻的值来求得，而与电源电压无关。这一过程相当于把Rx和标准电阻相比较，因而测量的准确度相当高。单电桥的实际线路如下图所示。将R2和R1做成比值为C的比率臂，则被测电阻为Rx=CR，其中C=R2/R1，共分七挡，0.001～1000，R为测量臂，由四个十进位的电阻盘组成。图中的电阻单位为Ω。1．铜丝的电阻与温

4、度系数任何物体的电阻都与温度有关。多数金属电阻随温度升高而增大，满足下列关系式：Rt=R0(1+αRt)。式中，Rt、R0分别是t、0℃时的电阻值；αR是电阻的温度系数，单位是（℃-1）。严格地说，αR一般与温度有关，但是对本实验所用的纯铜材料来说，在-50℃～100℃范围内αR的变化很小，可以当做常数，即Rt与t呈线性关系。于是：利用金属随温度变化的性质，可制成电阻温度计来测温。2．双电桥测低电阻用上图所示的单电桥测电阻时，被测臂上引线l1、l2和接点X1、X2等处都有一定的电阻，约为10-2Ω～10-4Ω量级。这些引线电阻和接触电阻与待测的Rx串联在一起，对低值电阻

5、测量影响很大。为减小它们的影响，在双电桥中作了两处明显的改进：（1）被测电阻和测量盘电阻均采用四端接法。四端接法示意图见左。图中两个C端为电流端，通常接电源回路，从而将两端的引线电阻和接触电阻折合到电源回路的其他串联电阻中；两个p端为电压端，通常接测量用的高电阻回路或电流为零的补偿回路，从而使这两端的引线电阻和接触电阻对测量的影响相对减小了。（2）如右图所示的双电桥增设了两个臂和，比较其阻值较高。流过检流计的G的电流为零时，电桥达到平衡，于是可以解得：双电桥在结构设计上尽量做到，并且尽量减小电阻r，因此我们仍然有：同样，在仪器做成比率臂，则：Rx=CR这样，只要将被测低

6、电阻按四端接法接入双电桥进行测量，就可以与单电桥采用相同的公式计算了。1．非平衡电桥非平衡电桥是将平衡电桥中的检流计G去掉，通过测量其两端的电压来测定电阻，如右图所示。如果电源E一定，当某桥臂的Rt（如金属热电阻、电阻应变片、光敏电阻等）发生变化时，非平衡电桥的输出电压Ut也发生变化。非平衡电桥输出电压公式为：一般来说，Ut与t的关系不是线性的，为了组装数字温度计，适当地选择电桥参数（R1、R2、R和E），使其非线性项误差很小，在一定的温度范围内呈近似的线性关系。这就是线性化设计。2．互易桥为简单起见，我们利用现有的QJ－23型惠斯通电桥改成非平衡桥，用铜丝电阻作感温元

7、件，阻值约20Ω。用惠斯通电桥测量时一般会选C=0.01，将R置于2000Ω，由该电桥线路知，此时R2≈10Ω，R1≈1000Ω，这样的阻值配比Ut测量误差较大，不能满足线性化设计的要求。现在，我们就巧改惠斯通电桥，将电源E和检流计G互易位置（如图），这样桥臂之间的关系，就较为合理（R1和R同数量级，R2和Rt同数量级）。称这种电桥为互易桥。将检流计G换成mV表，这就改成了互易的非平衡桥，用它测量Ut误差就会减小。3．线性化设计欲组装一个温度范围在0～100℃的铜电阻电子数字温度计，必须将Ut～t的关系线性化。当采用量程为19.999mV