非平衡电桥制作数字温度计--设计.doc

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1、南昌大学物理实验报告非平衡电桥制作数字温度计设计一、实验目的1、巩固平衡电桥测量电阻的方法。2、学习和掌握测量热敏电阻温度特性的基本原理和操作方法。3、用热敏电阻结合非平衡电桥设计制作数字温度计。二、实验仪器非平衡电桥、热敏电阻、加热源温度控制器、导线等。三、实验设计内容1、用线性电阻（金属电阻）结合非平衡电桥设计测量范围为0~100℃的数字温度计。2、用非线性热敏电阻为传感器结合非平衡电桥设计测量范围为10~70℃的数字温度计。四、实验原理非平衡电桥的原理图见图16.1所示。非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似，但测量方法上有很大差别。平衡电桥要求通过调节达到，从而

2、得到，非平衡电桥则使R1、R2、R3保持不变，由变化引起U0变化。再根据U0与的函数关系，通过检测U0的变化从而测得RX，由于可以检测连续变化的U0，所以可以检测连续变化的，进而检测连续变化的非电量。9南昌大学物理实验报告（a）（b）图16.1非平衡电桥及其等效电路1、非平衡电桥的输出非平衡电桥的输出有两种情况：一种是输出端开路或负载电阻很大近似于开路，如后接高内阻数字电压表或高输入阻抗运放等情况，这时称为电压输出，实际使用中大多采用这种方式；另一种是输出端接有一定阻值的负载电阻，这时称为功率输出，简称功率电桥。根据戴维南定理，图16.1(a)所示的桥路可等效为图16

3、.1（b）所示的二端口网络。图16.2（a）图16.2（b）9南昌大学物理实验报告其中为输出端开路的输出电压，为输出阻抗，等效电路见图16.2(a)、（b）电压输出的情况下，有                        令，为被测电阻，为其初始值，为电阻变化量。并且初始值满足电桥平衡条件代入以上两式，可得这是作为一般形式非平衡电桥的输出电压与被测电阻之间的函数关系。当被测电阻的时，上式可简化为这时U0与△R成线性关系。9南昌大学物理实验报告如果可得如果2、用非平衡电桥测量电阻的方法（1）、将被测电阻（传感器）接入非平衡电桥，并进行初始平衡，为其初始值，这时电桥输出

4、为0。改变被测的非电量，则被测电阻也变化。这时电桥有相应的电压U0输出。测出这个电压后，就可计算得到。（2）、根据测量结果求得。也可先作曲线，然后根据所得曲线，由的值得到及的值，这样就可以根据非平衡电桥的输出来测被测电阻。3、用非平衡电桥测温度的方法1）、用线性电阻（金属电阻）测温度铂电阻（或金属电阻）与温度的关系，一定温度范围内可表示为式中和分别为温度为t℃和0℃时的电阻。并且初始值满足电桥平衡条件。在0～100℃范围内值作用不显著，与近似成线性关系，即所以，代入上式得9南昌大学物理实验报告式中的值可由实验方法测得：先测量电阻的温度电阻特性，即选取不同的温度，得到相

5、应的，并绘制曲线，其斜率即。这样就可以由电桥的求得相应的温度变化量，从而求得。特殊地，当时，上式可简化为 这时与成线性关系。2）、利用热敏电阻测温度热敏电阻具有负的电阻温度系数，电阻值随温度升高而迅速下降，这是因为热敏电阻由一些金属氧化物如Fe3O4、MgCr2O4等半导体制成，在这些半导体内部，自由电子数目随温度的升高增加得很快，导电能力很快增强；虽然原子振动也会加剧并阻碍电子的运动，但这种作用对导电性能的影响远小于电子被释放而改变导电性能的作用，所以温度上升会使电阻值迅速下降。热敏电阻的电阻温度特性可以用下述指数函数来描述：（11）式中A为常数。B为与材料有关的常

6、数，T为绝对温度。为了求得准确的A和B，可将式（11）两边取对数（12）先测量热敏电阻的电阻温度特性，即选取不同的温度T，得到相应的，并绘制曲线，即可求得A与B。常用半导体热敏电阻的B值约为1500～5000K之间。9南昌大学物理实验报告不同的温度时有不同的值，电桥的也会有相应的变化。可以根据与T的函数关系，经标定后，通过U0测量温度T，但这时U0与T的关系是非线性的，显示和使用不是很方便，这就需要对热敏电阻进行线性化处理。线性化的方法很多，常见的有：①串联法。通过选取一个合适的低温度系数的电阻与热敏电阻串联，就可使温度与电阻的倒数成线性关系；再用恒压源构成测量电源，

7、就可使测量电流与温度成线性关系。②串并联法。在热敏电阻两端串并联电阻。总电阻是温度的函数，在选定的温度点进行级数展开，并令展开式的二次项为0，忽略高次项，从而求得串并联电阻的阻值，这样就可使总电阻与温度成正比，展开温度常为测量范围的中间温度。详细推导可由学生自己完成。③非平衡电桥法。选择合适的电桥参数，可使电桥输出与温度在一定的范围内成近似的线性关系。④用运算放大器结合电阻网络进行转换，使输出电压与温度成一定的线性关系。下面重点讲述一下用非平衡电桥进行线性化设计的方法，其它方法可由学生自己完成。4、非平衡电桥测温线性化方法在图16.1中，R1、R2、