E.用非平衡电桥测电阻.05

实验名称 用非平衡电桥测电阻

一、前言

直流电桥是一种精密的电阻测量仪器，具有重要的应用价值。按电桥的测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥。平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进行比较，通过调节电桥平衡，从而测量电阻值，如单臂直流电桥(惠斯登电桥)、双臂直流电桥(开尔文电桥)。它们只能用于测量具有相对稳定状态的物理量，而在实际工程和科学实验中，很多物理量是连续变化的，只能采用非平衡电桥才能测量；非平衡电桥的基本原理是通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，再进行运算处理，从而得到引起电阻变化的其他物理量，如温度、压力、形变等。

二、教学目标

1、理解非平衡直流电桥的基本原理。

2、掌握非平衡直流电桥的操作方法。

3、用电压输出法测量50Cu 型铜电阻和它的温度系数。

4、用电压输出法测量热敏电阻的温度系数。

三、教学重点

1、非平衡直流电桥的测量原理。

四、教学难点

1、预调电桥平衡。

五、实验原理

非平衡电桥原理如图1所示：B 、D 之间为一负载电阻g R ，只要测量电桥输出电压g U 或输出电流g I ，就可得到x R 值，本实验采用输出电压的测量方式。

1、电桥分类

(1) 等臂电桥：1234R R R R R ====

图1 非平衡电桥原理示意图

(2) 输出对称电桥，也称卧式电桥：14R R R ==，23R R R '==，且R R '≠。 (3) 电源对称电桥，也称立式电桥：12R R R '==，34R R R ==，且R R '≠。 2、输出电压

当负载电阻g R →∞，即电桥输出处于开路状态时，0g I =，仅有电压输出并用0U 表示，根据分压原理，ABC 半桥的电压降为s U ，通过1R 、4R 两臂的电流同为：

1414

s

U I I R R ==

+

(1)

则4R 上的电压降为：

4

14

BC s R U U R R =

+

(2)

同理3R 上的电压降为

3

23

DC s R U U R R =

+

(3)

输出电压0U 为BC U 与DC U 之差

324134

014231423()()

BC DC s s s R R R R R R U U U U U U R R R R R R R R -=-=

-=++++ (4)

当满足条件1324R R R R =时，电桥输出00U =，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。若1R 、2R 、3R 固定，

4R 为待测电阻4x R R =，则当44R R R →+∆时，因电桥不平衡而产生的电压输出为：

24213

0142323()()()

s R R R R R R U U R R R R R R R +∆-=

⋅+++∆+

(5)

当电阻增量R ∆较小时，即满足R R ∆ 时，上式的分母中含R ∆项可略去，公式可得以简化，各种电桥的输出电压公式为：

(1) 等臂电桥1234R R R R R ====

04s U R U R

∆=

⋅ (6)

(2) 卧式电桥14R R R ==，23R R R '==，且R R '≠则

04s U R U R

∆=

⋅ (7)

(3)立式电桥12R R R '==，34R R R ==，且R R '≠则

'0'2

()s RR R

U U R R R

∆=⋅+ (8)

各式中的R 和R '均为预调平衡后的电阻。当满足R R ∆ 时，测量得到电压输出

0U 与R R ∆成线性比例关系，通过上述公式求出R R ∆或R ∆，即可求得待测电阻阻值

4x R R R =+∆

(9)

等臂电桥、卧式电桥输出电压比立式电桥高，因此灵敏度也高，但立式电桥测量范围大，可以通过选择R 、R '来扩大测量范围，R 、R '差距愈大，测量范围也愈大。

六、实验仪器

FQJ 型非平衡直流电桥、FQJ-2型非平衡电桥加热实验装置。

1、FQJ-2型非平衡电桥加热实验装置简介

图2 测量铜电阻温控仪和加热炉接线示意图

FQJ-2型非平衡直流电桥加热实验装置如图2所示，是专为FQJ 系列非平衡直流电桥在实验过程中配套使用的装置。

(1) 装置特点：

加热温度可自由设定(不超过上限值)；PID控温，控温精度高；装置内配装有铜电阻，热敏电阻，增加了实验内容；加热装置电源输入为低电压，并通过变压器隔离，安全可靠；装置内装有风扇，根据实验需要，可加速降温；装置结构新颖，紧凑合理。

(2) 主要技术指标如下：

温度控制范围0～120℃，上限为120℃

温度控制精度1

℃

加热输入电压24V(隔离电压)

加热至温度上限时间30min左右

(3) 使用说明：

使用前，将温控仪机箱底部的撑架竖起，以便在测试时方便观察及操作。

实验开始前，应连接好温控仪与加热炉之间的导线，根据实验内容，在“铜电阻”或“热敏电阻”接线柱上与FQJ非平衡电桥的“

R”端相接。

x

(4) 操作步骤：

i. 温度设定：根据实验温度需要，设定加热温度上限，其方法为：开启温控仪电源，显示屏显示的温度为环境温度。将“测量 设定”转换开关置于“设定”位置，转动“设定调节”旋钮，将所需加热温上限设定好，再将转换开关置于“测量”位置。(在温度设定时，仪器上“加热选择”开关置于“断”处)

ii. PID调节：加热前，先将“PID调节”旋钮逆时针方向(向“一”处)旋到底，再顺时针方向旋至该整个调节行程的13左右处。

iii. 加热：加热前，应根据环境温度和所需升温的上限及升温速度来确定温控仪面板上“加热选择”开关的位置。应根据环境温度和所需升温的上限及升温速度来确定温控仪面板上“加热选择”开关的位置。该开关分为“1、2、3”三档，由“断”位置打向任意一挡，即开始加热，指示灯亮，升温的高低及速度以“1”档为最低最慢，“3”档为最高、最快，一般在加热过程中温度升至离设定上限温度5℃～10℃时，应将加热档位降低一档，以减小温度俯冲。总之：在加热升温时，应根据实际升温要求，选择好加热档位；仔细反复调节“PID调节”旋钮，如升温温度高于设定值，“PID 调节”向“-”方向调切，反之，升温温度达不到设定值，“PID调节”向“+”方向