非平衡电桥的原理和设计应用教材.doc

PAGE  PAGE 13 非平衡电桥的原理和设计应用 （实验讲义） 使 用 说 明 书 杭州大华科教仪器研究所 杭州大华仪器制造有限公司 非平衡电桥的原理和设计应用 电桥可分为平衡电桥和非平衡电桥，非平衡电桥也称不平衡电桥或微差电桥。以往在教学中往往只做平衡电桥实验。近年来，非平衡电桥在教学中受到了较多的重视，因为通过它可以测量一些变化的非电量，这就把电桥的应用范围扩展到很多领域，实际上在工程测量中非平衡电桥已经得到了广泛的应用。 一、实验目的 1、掌握非平衡电桥的工作原理以及与平衡电桥的异同 2、掌握利用非平衡电桥的输出电压来测量变化电阻的原理和方法 3、设计一个数显温度计，掌握非平衡电桥测量温度的方法，并类推至测其它非电量。 二、实验内容 1、用非平衡电桥测量热敏电阻的温度特性 2、用热敏电阻为传感器结合非平衡电桥设计测量范围为30.0~50.0℃的数显温度计 三、实验仪器及配件 1、DHQJ-3/ DHQJ-5型非平衡电桥 2、DHW-1/ DHW-2型温度传感实验装置或DHT-2型热学实验仪（含2.7KΩ热敏电阻） 四、实验原理 非平衡电桥的原理图见图1。 图 1 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。平衡电桥是调节R3使I0=0，从而得到 ，非平衡电桥则是使R1、R2、R3保持不变，RX变化时则U0变化。再根据U0与RX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RX，进而检测连续变化的非电量。 非平衡电桥的桥路形式 1、等臂电桥 电桥的四个桥臂阻值相等，即R1=R2=R3=RX0；其中RX0是RX的初始值，这时电桥处于平衡状态，U0=0。 2、卧式电桥也称输出对称电桥 这时电桥的桥臂电阻对称于输出端，即R1= R3，R2= RX0，但R1≠R2 立式电桥也称电源对称电桥 这时从电桥的电源端看桥臂电阻对称相等即 R1=R2 RX0=R3 但R1≠R3 比例电桥 这时桥臂电阻成一定的比例关系，即R1=KR2，R3=KRX0或R1=K R3，R2=K RX0，K为比例系数。实际上这是一般形式的非平衡电桥。 （二）非平衡电桥的输出 非平衡电桥的输出接负载大小分类又可分为两种。一种是负载阻抗相对于桥臂电阻很大，如输入阻抗很高的数字电压表或输入阻抗很大的运算放大电路；另一种是负载阻抗较小，和桥臂电阻相比拟。后一种由于非平衡电桥需输出一定的功率，故又称为功率电桥。 根据戴维南定理，图1所示的桥路可等效为图2（a）所示的二端口网络。 图 2（a） 图 2（b） 其中U0C为等效电源，Ri为等效内阻。 由图1可知，在RL=∞时，等效电源电压值为： 根据戴维南定理，将E电源短路，得到图2（b）电路，据此可求出电桥等效内阻： 根据图2（a）电路，得到电桥接有负载RL时输出电压： （1） 电压输出的情况下RL→∞，所以有 （2） 根据（1）式，可进一步分析电桥输出电压和被测电阻值关系。 令Rx=RX0+ΔR，Rx为被测电阻，ΔR为电阻变化量。 根据（1）式， 因为RX0为其初始值，此时电桥平衡，有，所以 （3） 当RL=∞时， 因为 ，所以 ，代入上式有 （4） （3）、（4）式就是作为一般形式非平衡电桥的输出与被测电阻的函数关系。 特殊地，对于等臂电桥和卧式电桥，（4）式简化为