實(shí)驗(yàn)名稱直流非平衡電橋的應(yīng)用

1、1 / 8實(shí)驗(yàn)名稱：直流非平衡電橋的應(yīng)用-數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì)姓名學(xué)號(hào)班級(jí) 桌號(hào) 同組人 本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：基礎(chǔ)教學(xué)室 實(shí)驗(yàn)日期年月日時(shí)段一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?掌握直流非平衡電橋的工作原理及與直流平衡電橋的異同；.學(xué)習(xí)直流非平衡電橋的使用方法；.學(xué)習(xí)傳感器非線性特性的線性化設(shè)計(jì)用直流非平衡電橋設(shè)計(jì)一款數(shù)字溫度計(jì)。二、實(shí)驗(yàn)儀器與器件：、型非平衡電橋、導(dǎo)線若干；、型溫度傳感實(shí)驗(yàn)裝置（銅電阻、熱敏電阻）；三、實(shí)驗(yàn)原理：直流平衡電橋、直流非平衡電橋直流電橋可分為平衡電橋和非平衡電橋（非平衡電橋也稱不平衡電橋或微差電橋）。平衡電橋需要工作在平衡態(tài)下，可以準(zhǔn)確測(cè)量未知電阻（如單臂電橋），測(cè)量精度很高。但平衡的

2、 調(diào)節(jié)要求嚴(yán)格，需要耗費(fèi)一定的時(shí)間。非平衡電橋 工作在非平衡態(tài)下，可測(cè)量任一橋臂上的物理量變化。實(shí)際生產(chǎn)技術(shù)中，往往有些待測(cè)量準(zhǔn)確度要求不是很高，但需要連續(xù)快捷的測(cè) 量。如：鐵路橋梁的應(yīng)力檢測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)及待測(cè)量的變化量中。尤其在傳感器技術(shù)越來(lái) 越廣泛應(yīng)用于各種非電學(xué)量測(cè)量情況下，智能檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中，直流非平衡電橋就顯 示出了優(yōu)勢(shì)，這時(shí)電橋中某一個(gè)或幾個(gè)橋臂，往往是具有一定功能的傳感元件，這些元件的 電阻值隨待測(cè)物理量（如溫度、壓力）的變化而相應(yīng)改變，電橋處于非平衡狀態(tài)。禾U用非平 衡電橋可以很快連續(xù)測(cè)量這些傳感元件電阻的變化，由此獲得這些物理量變化的信息。本實(shí) 驗(yàn)就是利用直流非平衡電

3、橋的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一款數(shù)字溫度計(jì)。評(píng)分2 / 8.非平衡電橋工作原理非平衡電橋工作思路：直流非平衡電橋的電路如圖（）所示，其在構(gòu)圖形式上節(jié)Ro使Io=O,Uo=0（平衡的意義），得到Rx1RR2測(cè)量電阻。如果將平衡電橋電路中的待測(cè)電阻換成一個(gè)電阻型傳感器，在某一條件下，先調(diào) 整電橋達(dá)到平衡，得到此條件下的電阻阻值。然后，當(dāng)外界條件改變時(shí)，傳感器阻值會(huì)有相應(yīng)變化，此時(shí)，橋臂上的電阻Ri、R2、R3保持不變，而Rx變化，這時(shí)電橋不再平衡，橋路兩端的電壓隨之而變。即：1。=0，Uo隨之變化（不平衡的意義），而Uo的大小反映了電阻的變化情況， 這時(shí)， 如果我們把、 兩點(diǎn)的不平衡電壓信號(hào) 以測(cè)量 【如圖（）】

4、 ，就可以根據(jù)U。與Rx的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)連續(xù)變化的U。就可以檢測(cè)連 續(xù)變化的Rx，由此可檢測(cè)傳感器電阻對(duì)應(yīng)的連續(xù)變化的非電量。這就是非平衡電橋工作的基本思路。非平衡電橋的橋路形式:根據(jù)直流非平衡電橋橋臂上電阻滿足的關(guān)系，其橋路有如下幾種形式：（）等臂電橋：電橋的四個(gè)橋臂電阻阻值相等。即尺=R2二R3二Rxo;其中Rxo是Rx的初始值，對(duì)應(yīng)于電橋平衡狀態(tài)Uo=O（）臥式電橋也稱輸出對(duì)稱電橋： 這時(shí)電橋的橋臂電阻對(duì)稱于輸出端，即RR2 Rxo當(dāng)被測(cè)電阻的時(shí)，（）式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為（）Uo= 1 AR4 Rxo這時(shí)Uo與R成線性關(guān)系、熱敏電阻的電阻溫度特性熱敏電阻的電阻溫度特性可以用下述指數(shù)函數(shù)來(lái)

5、描述：B（）RT= AeT式中：是與熱敏電阻幾何形狀有關(guān)的常數(shù)。為與半導(dǎo)體材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)（又稱半導(dǎo)體 熱敏電阻溫度系數(shù)），為絕對(duì)溫度。為了獲得常數(shù)和，可將式（）進(jìn)行曲線改直，即：兩邊取對(duì)數(shù)In RTRX為被測(cè)電阻,則:（）式就是Rxo為其初始值（此時(shí)電橋平衡，有RiRxo =R3R2），也R為電阻變化量。UoR22ER（R2Rxo）RR2 +RX O般形式直流非平衡電橋的輸出與被測(cè)電阻的函數(shù)關(guān)系。R2()()5 / 8選取不同的溫度，得到不同的RT。根據(jù)（）式，當(dāng)時(shí)有：In RT1=1 nA - B/T1；時(shí)有：In RT2= I nA B/T2將上兩式相減后得到B _ln RT1-ln

6、RT2（）1/T1-1/T2將（）代入（）可得BA二%JT1（）、用非平衡電橋進(jìn)行熱敏電阻線性化設(shè)計(jì)的方法一一數(shù)字溫度傳感器的設(shè)計(jì)。我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字溫度計(jì)其溫度探頭采用半導(dǎo)體熱敏電阻，溫度顯示由非平衡電橋上的數(shù) 字電壓表顯示。半導(dǎo)體熱敏電阻具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，電阻值隨溫度升高而迅速下降。不同溫度對(duì)應(yīng) 的電阻有不同的值。將熱敏電阻接到非平衡電橋的某一橋臂上，這時(shí)，非平衡電橋的會(huì)隨著 電阻變化有相應(yīng)的變化。這時(shí)，由于熱敏電阻的“電阻一溫度”關(guān)系是非線性的，造成非平 衡電橋的與的關(guān)系也是非線性的。非線性關(guān)系會(huì)造成顯示和使用不方便。這就需要根據(jù)與的 函數(shù)關(guān)系對(duì)其進(jìn)行線性化改造，稱為傳感器非線性特性的線

7、性化，是傳感器應(yīng)用中十分重要 的問(wèn)題。下面我們對(duì)與的非線性特性進(jìn)行線性化改造在圖（）中，、為橋臂測(cè)量電阻，具有很小的溫度系數(shù)，為熱敏電阻，由于只檢測(cè)電橋 的輸出電壓，故開(kāi)路，根據(jù)（）式有- 巴E式中Rx= Ae石2+ RxR1+ R3可見(jiàn)是溫度的非線性函數(shù)，將在需要測(cè)量的溫度范圍的中點(diǎn)溫度處，按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)Uo =U01UoT -T1Un（）其中UnUoT2 丄u0n）T -T1n2nmn!式中U1為常數(shù)項(xiàng)，不隨溫度變化。Un代表所有的非線性項(xiàng)，它的值越小越好， 略不計(jì)）由數(shù)學(xué)推導(dǎo)得（推導(dǎo)見(jiàn)附錄）：.B 2TRXR2B 2TBR2RX2 2XUoT -T1為線性項(xiàng)， 其中Uo是Uo的一階導(dǎo)數(shù),

8、 為此令uo=0,（而Un的其它項(xiàng)數(shù)值很小，忽()()6 / 8根據(jù)以上的分析，將（）改為：U m t - h（）式中和分別和對(duì)應(yīng)的攝氏溫度；入為U。在溫度Ti時(shí)的值Ui；為U。在溫度Ti時(shí)的值。將（）式分別代入（）、（）式得入和，即:E、R1、R2、R3值用上述計(jì)算的E、R1、R2、R3值來(lái)確定，由此就得到了一個(gè)數(shù)字化的溫度傳感器一數(shù)字溫度計(jì)。（數(shù)字電壓表為顯示器， 電壓表上的電壓 數(shù)值與溫度數(shù)值有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；熱敏電阻為溫度探頭）四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：、用單臂平衡電橋測(cè)量不同溫度下的熱敏電阻值。在用非平衡電橋進(jìn)行熱敏電阻線性化設(shè)計(jì)之前，為了獲得較為準(zhǔn)確的熱敏電阻溫度特性,R3Rx(Ti)R2+ Rx(Ti)R)+ R3丿R3()4Ti2_B2k 4BTi2丿以上便是與的線性化改造。其中的參數(shù)確定如下:m =U=()根據(jù)非平衡電橋的數(shù)字電壓表的顯示表頭，適當(dāng)選取入和的值，好為攝氏溫度值，即：入為數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量范圍的中心溫度對(duì)應(yīng)的U?！荆ǎ?就是測(cè)溫入即為溫度為C所對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓表表頭的電壓值；若制可使表頭的顯的靈敏度。（如測(cè)溫范圍cC,作的溫度傳感器最小分辨值為C,則就是溫度變化C時(shí)，數(shù)字電壓表的電壓對(duì)應(yīng)的變化量 ）確定值后，的值由公式（）可求得:4BT122 24Ti