2022年非平衡电桥制作数字温度计--设计 .docx

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1、精品_精品资料_南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告非平稳电桥制作数字温度计设计一、试验目的1、稳固平稳电桥测量电阻的方法.2、学习和把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稳电桥设计制作数字温度计.二、试验仪器非平稳电桥、热敏电阻、加热源温度掌握器、导线等.三、试验设计内容1、用线性电阻金属电阻结合非平稳电桥设计测量范畴为0100的数字温度计.2、用非线性热敏电阻为传感器结合非平稳电桥设计测量范畴为1070的数字温度计.四、试验原理非平稳电桥的原理图见图16.1 所示.非平稳电桥在构成形式上与平稳电桥相像,但测可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_量方

2、法上有很大差异.平稳电桥要求通过调剂到达Rx0I0 ,从而得到R3,非平稳电桥可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_R1R2就使 R1、R2、R3 保持不变,由 Rx 变化引起 U 0 变化.再依据 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.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告R1I oRx+可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_RLUo_R2R3I o+RiRLUo_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_E+

3、 Uoc _ ab图 16.1非平稳电桥及其等效电路1、非平稳电桥的输出非平稳电桥的输出有两种情形：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形,这时称为电压输出, 实际使用中大多采纳这种方式.另一种是输出端接有肯定阻值的负载电阻,这时称为功率输出,简称功率电桥.依据戴维南定理,图16.1a所示的桥路可等效为图16.1b所示的二端口网络.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_R1RxUocR1RxRi可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_R2R3R2R3E图 16.2a图 16.2b可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_南

4、 昌 大 学 物 理 实 验 报 告其中 U oc 为输出端开路的输出电压,Ri 为输出阻抗,等效电路见图16.2a、b可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_U ocRxR1RxR3ER2R3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_RR1RxiR2 R3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_R1RxR2R3URLRxR3oERiRLR1RxR2R3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_电压输出的情形下RL,有UoRxR1RxR3ER2R3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - -

5、欢迎下载精品_精品资料_0令 RxRxR , Rx 为被测电阻,Rx 为其初始值,R 为电阻变化量.并且初始值满意可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_0电桥平稳条件RxR可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_03R1R2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_代入以上两式,可得UooUR1 RR 2RLRiRLER1RR R20RxR R2RER3 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1x010R1Rx可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_这是作为一般形式非平稳电桥的输出电压与被测电阻之间的函数

6、关系.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_当被测电阻的RRx 时,上式可简化为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_0oUR1ERRR 21x 0这时 U 0 与 R 成线性关系.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告假如0RxR3nR1R2可得oUnER0x1n2 R可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Rx假如0R1R31R2可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_UERox4R02、用非平稳电桥测量电阻的方法可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1、将被测电阻Rx 传感器接入非平稳电桥,并进

7、行初始平稳,Rx 为其初始值,可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_0这时电桥输出为 0.转变被测的非电量, 就被测电阻也变化. 这时电桥有相应的电压U0 输出.测出这个电压后,就可运算得到R .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_2、依据测量结果求得Rx .也可先作 U oR 曲线,然后依据所得曲线,由U o 的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_值得到R 及 Rx 的值,这样就可以依据非平稳电桥的输出U o 来测被测电阻Rx .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_3、用非平稳电桥测温度的方法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

8、系,肯定温度范畴内可表示为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_R t R 01tt 2 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_xx可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式中 Rx t 和 Rx 0 分别为温度为 t 和 0 时的电阻. 并且初始值Rx 0满意电桥可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_平稳条件.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_在 0 100范畴内值作用不显著,Rx t 与 t 近似成线性关系,即可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Rx t Rx 01t Rx 0t

9、Rx0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_所以RRx 0t ,代入上式得可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_UotR1 RR 2ER 0tRx0t可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1x01x0R1Rx可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式中的Rx 0值可由试验方法测得：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_先

10、测量电阻的温度电阻特性,即选取不同的温度 t ,得到相应的Rx t ,并绘制Rx tt可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_曲线,其斜率即Rx 0 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_这样就可以由电桥的U o 求得相应的温度变化量t ,从而求得tt0t .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_特别的,当RRx 0时,上式可简化为可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资

11、料_UR1o2R1Rx 0ERx0 t可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_这时 U o 与 t 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,电阻值随温度上升而快速下降,这是由于热敏电阻由一些金属氧化物如Fe3O4、MgCr 2O4 等半导体制成,在这些半导体内部,自由电子数目随温度的上升增加得很快,导电才能很快增强. 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转变导电性能的作用,所以温度上升会使电 阻值快速下降.热敏电阻的电阻温度特性可以用下述指数函数来描述：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Rx T BAe

12、T11可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式中 A 为常数. B 为与材料有关的常数,T 为肯定温度.为了求得精确的 A 和 B ,可将式 11两边取对数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ln RxT ln ABT12可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_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Rx T ,并绘制可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_ln RxT 1 曲线,即可求得 A 与 B .常用半导体热敏电阻的B 值约为 150

13、05000K 之间.T可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_不同的温度时RxT 有不同的值,电桥的U o 也会有相应的变化.可以依据U o 与 T 的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_函数关系,经标定后,通过U0 测量温度 T,但这时 U 0 与 T 的关系是非线性的,显示和使用不是很便利,这就需要对热敏电阻进行线性化处理.线性化的方法许多,常见的有：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,就可使测量电流与温度

14、成线性关系.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绽开,并令绽开式的二次项为0,忽视高次项,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,绽开温度常为测量范畴的中间温度.具体推导可由同学自己完成.非平稳电桥法.挑选合适的电桥参数,可使电桥输出与温度在肯定的范畴内成近似的线性关系.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肯定的线性关系.下面重点叙述一下用非平稳电桥进行线性化设计的方法,其它方法可由同学自己完成.4、非平稳电桥测温线性化方法在图 16.1 中, R1、R2、R3 为桥臂测量电阻,具有很小的温度系数,Rx 为热敏电阻,由

15、于只检测电桥的输出电压,故RL 开路,这时可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_oURxR1RxR3ER2R310可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_其中可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_RxRx T BAeT可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可见 U o 是温度 T 的函数,将U o T 在需要测量的温区中点T1 处按泰勒级数绽开可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_U T U T U T TT U T o11oo1o11n可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_U T 1 U

16、 T TT 21 U n T TT n可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_n2o11n 3 n.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_oU n T U n T n3,4,5可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_To1no11nT1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_o1式中 UT 为常数项,不随温度变化.U T TT 为线性项,U T 代表全部的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_非线性项,它的值越小越好,为此令U T =0, U nT 的三次项可看做是

17、非线性项,从可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_o1U n T 的四次项开头数值很小,可以忽视不计.依据以上的分析可推导出如下表达式可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_U tmtt ntt 3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_o11式中 t 和 t1 分别 T 和 T 1 对应的摄氏温度,线性函数部分为U o t mtt1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_式中和 m 的值分别为B2T1R3E 2BR2R3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1B24T 2m2E可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_非线性部分4BT11nt

18、t 3 是系统误差,具体推导可自己进行或参看有关资料.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_线性化设计的过程如下：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_依据给定的测温范畴确定T1的值,一般为测温区间的中间值, E 的值由电桥本身打算 约可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为 3V .依据非平稳电桥的显示表头,适当选取和 m 的值,可考虑使显示的毫伏数正好为摄氏温度值,这时m=1mV/ ,为测温范畴的中心值t1 mV .假如要提高温度读数辨论率, 可选 m=2mV/ ,这时为 2 t1mV .也可自选和 m 的值.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_R

19、3 与 R2 的比值由下式求得R3R2EB2 BE12T12B可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_选好 R3 与 R2 的比值后,依据热敏电阻在T 1 时的阻值大小,挑选与其值相近的R3 值, 即可确定 R2 的值.四、试验设计步骤可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告1、用线性电阻金属电阻PT100测温度1、先测量 PT100“热敏电阻”的电阻温度特性,可用电桥或数字万用表测量.即可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_选取不同的温度 t ,得到相应的Rx t ,并绘制Rx tt 曲线,其斜率即Rx 0.起始温可编辑资料 -

20、 - - 欢迎下载精品_精品资料_度可以选室温或测量范畴内的其他温度.温度t Rx t2、将 PT100“热敏电阻”端接到非平稳电桥输入端,当加热源温度掌握器所显示可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_的温度到达稳固后,读取相应的电桥输出U o t ,每隔肯定温度测量一次,记录于表中,并可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可绘制U o tt 曲线,这样就可以依据通过U ot 测量温度 t .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_温度t U o t mV 3、依据非平稳电桥的显示表头,通过适当选取桥臂电阻的值,使显示

21、的毫伏数正好为摄氏温度值.2、用非线性热敏电阻设计测量范畴为1070的数字温度计可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1、先测量热敏电阻的电阻温度特性,选取不同的温度T,得到相应的Rx T ,并绘可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_制 ln RxT1 曲线,求得 A 和 B 的值.T可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_温度T Rx T 2、已有的已知条件为E=3V ,T1=313K ,B 已求得, 再依据非平稳电桥挑选和m, 举荐值为 =40mV , m=1mV/ .为提高测温辨论率也可选=80mV , m=2m

22、V/ ,这样可按 16式求得 R3 /R2, R3 的值可选热敏电阻在40时的阻值.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_南 昌 大 学 物 理 实 验 报 告留意：为缩短试验时间,可先在课前以B 值为 3000K 进行运算,并论证可行性,课上再依据实测值进行正式设计,确定R2、R3 的值.3、按以上运算的值选取桥臂电阻R1,R2 和 R3 的值,并保持R1、R2 、R3 不变,转变温度 t,电桥输出U 0,在设定的温度测量范畴内测量U 0 与 t 的关系并记录.温度t U o t mV 五、试验设计留意事项1、线路必需连接正确,方可进行试验.2、加热器温度肯定不能过高,以免损坏传感器的包装.3、温度掌握器所监测的加热器内温度稳固后,方可进行测量.可编辑资料 - - - 欢迎下载