直流电桥实验报告要点.pdf
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1、清 华 大 学 实 验 报 告 系别:机械工程系班号: 72 班姓名:车德梦(同组姓名:) 作实验日期2008 年 11 月 5 日教师评定: 实验 3.3 直流电桥测电阻 一、实验目的 ( 1)了解单电桥测电阻的原理,初步掌握直流单电桥的使用方法; ( 2)单电桥测量铜丝的电阻温度系数,学习用作图法和直线拟合法处理数据; ( 3)了解双电桥测量低电阻的原理,初步掌握双电桥的使用方法。 ( 4)数字温度计的组装方法及其原理。 二、实验原理 1. 惠斯通电桥测电阻 惠斯通电桥(单电桥)是最常用的直流电桥,如图是它的电路原理图。 图中 1 R、 2 R和R是已知阻值的标准电阻,它们和被测电阻 x
2、R连成一个四边形,每一 条边称作电桥的一个臂。对角A 和 C 之间接电源E;对角 B 和 D 之间接有检流计G,它 像桥一样。若调节R 使检流计中电流为零,桥两端的B 点和 D 点点位相等,电桥达到平 衡,这时可得 x RIRI 21 , 1122 I RI R 两式相除可得 R R R Rx 1 2 只要检流计足够灵敏,等式就能相当好地成立,被测电阻值 x R可以仅从三个标准电阻 的值来求得, 而与电源电压无关。这一过程相当于把 x R和标准电阻相比较,因而测量的准 确度较高。 单电桥的实际线路如图所示: 将 2 R和 1 R做成比值为C 的比率臂,则被测电阻为 CRRx 其中 12 RRC
3、,共分 7个档, 0.001 1000,R为测量臂,由4 个十进位的电阻盘组 成。图中电阻单位为。 2. 铜丝电阻温度系数 任何物体的电阻都与温度有关,多数金属的电阻随文的升高而增大,有如下关系式: )1( 0 tRR Rt 式中 t R、 0 R分别是 t、0时金属丝的电阻值; R是电阻温度系数,单位是( -1 ) 。严格 地说, R一般与温度有关,但对本实验所用的纯铜丝材料来说,在 -50 100的范围 内 R的变化很小,可当作常数,即t R与t呈线性关系。于是 tR RRt R 0 0 利用金属电阻随温度变化的性质,可制成电阻温度计来测温。例如铂电阻温度及不仅 准确度高、稳定性好,而且从
4、-263 1100都能使用。铜电阻温度计在-50 100范 围内因其线性好,应用也较广泛。 3. 双电桥测低电阻 用下图所示的单电桥测电阻时,被测臂上引线 1 l、 2 l和接触点 1 X、 2 X等处都有一定 的电阻,约为 2 10 4 10量级。这些引线电阻和接触电阻与待测的 x R串联在一起, 对低值电阻的测量影响很大。为减小它们的影响,在双电桥中作了两处明显的改进: (1)被测电阻和测量盘电阻均采用四端接法。四端接法示意图如下 图中 1 C、 2 C是电流端,通常接电源回路,从而将这两端的引线电阻和接触电阻折合 到电源回路的其他串联电阻中; 1 P、 2 P是电压端,通常接测量用的高电
5、阻回路或电流为 零的补偿回路,从而使这两端的引线电阻和接触电阻对测量的影响相对减小了。 (2)如下图: 双电桥中增设了两个臂 1 R和 2 R,其阻值较高。流过检流计G的电流为零时,电桥达 到平衡,于是可以得到以下三个方程 21 223 RIRIRI x 11 123 RIRIRI rIIRRI)()( 23 1 22 上式中各量的意义相应地与上图中的符号相对应。解这三个方程可得: 1 2 1 2 2 1 1 1 2 R R R R rRR rR R R R Rx 双电桥在结构设计上尽量做到 1 212 RRRR,并且尽量今小电阻r,因此可得 R R R Rx 1 2 同样,在仪器中将CRR
6、12 做成比率臂,则 CRRx 这样,电阻R和 x R的电压端附近附加电阻(即两端的引线电阻和接触电阻)由于和 高阻值臂串联,其影响减小了;两个外侧电流端的附加电阻串联在电源回路中,其影响可 忽略;两个内侧电流的附加电阻和小电阻 r相串联,相当于增大了式中的r,其影响通 常也可忽略。于是只要将被测低电阻按四端接法接入双电桥进行测量,就可像单电桥那样 用来计算了。 4. 直流电桥测电阻及组装数字温度计 ( 1)非平衡电桥 一般平衡电桥测电阻,多是以检流计G为平衡指示器, 而非平衡电桥则是将检流计G 去掉,通过测量其两端的电压 t U来确定电阻,如下图所示: 如果电源E一定,当某桥臂待测电阻 t
7、R(如金属热电阻、电阻应变片、光敏电阻等) 发生变化时,非平衡电桥的输出电压 t U也发生变化。 非平衡电桥的输出电压公式为 t t RR R RR R EU 21 1 一般来说 t U与t的关系不是线性的,为了组装数字温度计,适当地选择电桥参数 ( 1 R、 2 R、R和E) ,使其非线性项误差很小,在一定的温度范围内呈近似线性关系。这就是线 性化设计。 ( 2)互易桥 为简单起见,我们利用现有的QJ23 型惠斯通电桥改装成非平衡桥,用铜丝电阻作 感温元件,阻值约20。用惠斯通电桥测量时一般会选C=0.01,将 R 置于2000,由该 电桥线路知,此时10 2 R,1000 1 R,这样的阻
8、值配比 t U测量误差较大,不能满 足线性化设计的要求。现在我们巧改惠斯通电桥,将电源 E 和检流计G 互易位置, 这样桥 臂阻值之间的关系,就较为合理。为讨论方便,将这种电源E,检流计 G 互换的惠斯通电 桥称之为互易桥。将G 再换成 mV 表,就改成互易了的非平衡桥,用它测量 t U误差就会 减小。 ( 3)线性化设计 欲组装一个温度范围在0-100的铜电阻数字温度计,必须将 t Ut 的关系线性化, 当采用量程为19.999mV的 2 1 4数字电压表来显示温度值时,要求显示值: tUt 10 1 (mV) 当温度 t=0时,mVU0 0 ,此时互易桥为平衡桥有: C R R 1 2 ,
9、C R R0 或 C R R 0 式中 0 R为 0时铜丝电阻值,R为测量臂电阻, 对铜电阻来说, 在 0-100范围内 t R与t市 线性关系:)1( 0 tRRt,这样式可改写为: )1 (1 1 1 1 tCC EU t 考虑到本实验中选101.0C,铜电阻温度系数/10 3 ,则式还可以进一 步简化为: Ut C EC Ut 2 )1( U为非线性误差项。忽略U后,比较、得: C C E 10 )1( 2 至此,已完成了线性化设计,选择电桥参数01.0C, C R R 0 , C C E 10 )1( 2 就可 以用非平衡桥组装成数字温度计,UtU t 10 1 (mV) 。 三、实验
10、步骤 1. 惠斯通电桥测电阻 ( 1)熟悉电桥结构,预调检流计零点。 ( 2)测不同量级的待测电阻值(其中有一个感性电阻),根据被测电阻的标称值(即大约 值) ,首先选定比率C 并预置测量盘;接着调节电桥平衡而得到读数C 和 R 值,并注意总 结操作规律;然后测出偏离平衡位置d分格所需的测量盘示值变化R,以便计算灵敏 阈。 ( 3)根据记录的数据计算测量值CR,分析误差,最后给出各电阻的测量结果。 2. 单电桥测铜丝的电阻温度系数 ( 1)测量加热前的水温及铜丝电阻值。 ( 2)从气势温度升温,每隔5 6左右测一次温度t 及相应的阻值 t R。 ( 3)注意摸索控制待测铜丝温度的方法。要求在大
11、致热平衡(温度计示值基本不变)时 进行测量。 ( 4)测量后用计算机进行直线拟合来检测数据。如果每次都在大致热平衡时测量,则t 和 t R直线拟合的相关系数应该在r=0.999以上。 3. 双电桥测低电阻 测量一根金属丝的电阻或一根铜棒的电阻率。注意低电阻的四端接法。实验中要记下 待测低电阻的编号,双电桥的编号、测量范围和准确度等级。 4. 直流电桥测电阻及组装数字温度计 ( 1)将 QJ-23 型惠斯通电桥改装成互易桥(必须关掉电源后再操作)。电源 E接到原电桥 的 G 的“外接”端(此时金属片必须将“内接”两端短路并拧紧),将数字电压表接到原 电桥的 B端。 ( 2)按所选的电桥参数组装数
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