实验十非平衡电桥与应用.doc

非平衡电桥与应用::. 本实验所用到的传感元件有：铜电阻、热敏电阻、Pt电阻和光敏电阻等，它们的阻值会随着温度或光强的变化而变化． .::实验预习::. 1．学习非平衡电桥的工作原理； 2．学习和掌握非平衡电桥的应用； 3．学习一些传感器的工作原理和不同的测量电路． 【实验原理】 1．非平衡电桥的工作原理 如图1所示，在惠斯顿电桥中：E为稳压电源，R1和R2为固定电阻，RP为可变电阻，Rx为电阻型传感器，Uout为电桥输出电压．当 Uout = 0时，电桥处于平衡状态，此时有 ?? (1) ??? 当 Uout ≠ 0时，电桥处于不平衡状态，则有 ??? ??? 在一定条件下，调整电桥达到平衡状态．由（1）式可见，此时电桥的平衡状态与电源无关；当外界条件改变时，传感器的阻值Rx会有相应的变化，这时电桥平衡被破坏，桥路两端的电压Uout也随之而变，由 于桥路的输出电压Uout能反映出桥臂电阻的微小变化，因此通过测量输出电压即可以检测外界条件的变化．这种在非平衡条件下工作的电桥称为非平衡电桥，这样的测量方法为非电量电测法． 2．测量电路介绍 如采用电阻式传感器作为被测对象，传感元件的引出线有以下几种方式：二线制、三线制和四线制．采用二线制接法（图1），虽然导线电阻会给测量带来影响，但在测量精度要求不高、测量仪器与被测传感元件距离较近时，常采用二线制．但如果金属电阻本身的阻值很小，那末引线的电阻及其变化也就不能忽视，例如对于Pt100铂电阻，若导线电阻为1 Ω，将会产生2.5 ℃的测量误差．为了消除或减少引线电阻的影响，通常的办法是采用三线联接法加以处理，如图2所示．工业热电阻目前大多采用的都是三线制接法． 在三线制接线电路中，传感元件的一端与一根导线相接，另一端同时接两根导线．传感元件在与电桥配合时，与传感元件相接的三根导线粗细要相同，长度要相等，阻值要一致（图中r1，r2，r3即为引线电阻）．其中一根引线与测量仪表连接，由于测量仪表的内阻很大，可认为流过r2的电流接近于零．另两根引线分别与电桥的两个相邻臂相连，这样引线电阻对测量就不会造成影响． 为了高精度的测量，可将电阻测量仪设计成图3所示的四线制测量电路．图中I为恒流源，r1 、r2、r3 、r4是引线电阻，Rx为电阻型传感器，V为电压表．因为电压表内阻很大，则 ?且 因为UM = Ux + IV （r2 + r3），所以 由此可见，引线电阻将不引入测量误差． 【实验仪器】 实验接线板，控温仪，稳压源，恒流源，数字万用表，Zx21型旋转式电阻箱，传感元件（铂电阻，铜电阻，热敏电阻和光敏电阻），保温瓶，100 Ω/5 W可变电阻器和精密电阻等． 1．控温仪：0 ～ 200±1 ℃，测量精度0.1 ℃． 2．恒流源：当负载电阻在一定范围内变化时，输出电流保持不变，电流稳定度为1%． 3．稳压源：电压变化范围为0～15 V． 4．铂电阻：本实验选用Pt100，它被广泛用来测量－200 ～ 850 ℃范围的温度．它具有准确度高、灵敏度高、稳定性好等优点．在0～100 ℃范围内近似有R t = R0 (1 + At)，其中A为正温度系数，约为3.85×10-3 ℃-1，R0为0 ℃时铂电阻的阻值，允许通过的最大电流Im＜ 2.5 mA． 5．铜电阻：－50 ～ 150 ℃的范围内有R t = R0（1 + At + Bt2 + Ct3），R0为0 ℃时铜电阻的阻值，A = 4.28899×10-3 ℃-1，B = －2.133×10-7 ℃-2，C = 1.233×10-9 ℃-3．在0～100 ℃范围内近似有R t = R0 (1 + At)，允许通过的最大电流Im＜4 mA． 6．热敏电阻：热敏电阻由半导体材料制成，用其可制成半导体温度计，主要用来测定-100～300 ℃间的温度，有RT = R0exp[B（1/T-1/T0）]，其中RT和R0分别为温度T（K）和T0 （K）时的电阻值，B为热敏电阻的材料常数．本实验选用MF51型热敏电阻，B = 2700～4100 K，25 ℃时，RT ≈ 3.3 kΩ．允许通过的最大电流Im＜ 0.4 mA． 7．光敏电阻：允许通过的最大电流Im＜ 0.1 mA． 【实验内容】 在了解实验室所给条件的基础上，利用非平衡电桥实现以下设计： 1．设计制作一铂电阻（Pt100）数字温度计，测温范围0～100 ℃，输出电压范围0～50 mV要求最大误差小于0.5 ℃． 2．制作一铜电阻温度计，测温范围0～100 ℃，输出电压范围0～50 mV，要求最大误差小于0.5 ℃． 3．制作一热敏电阻温度计，测温范围0～100 ℃，输出电压范围0～100 mV． 4．利用光敏电阻制作一光强计，光强范围10～1500 lux，输出