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多功能电桥的原理和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,所以在工程测量中非平衡电桥也得到了广泛的应用
一、实验目的
1、掌握用惠斯通电桥测电阻的原理与方法
2、掌握非平衡电桥的工作原理以及与平衡电桥的异同
3、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
4、掌握功率电桥的功率输出
二、实验原理
1、惠斯通电桥惠斯通电桥(也称单臂电桥)的电路如图3-5-1所示,四个电阻R
1、R
2、Rb、RX组成一个四边形的回路,每一边称作电桥的一个臂在一对对角AC之间接入电源,而在另一对角BD之间接入检流计,构成所谓“桥路”所谓“桥”本身的意思就是指这条对角线BD而言它的作用就是把“桥”的两端点__起来,从而将这两点的电位直接进行比较B、D两点的电位相等时称作电桥平衡反之,称作电桥不平衡检流计是为了检查电桥是否平衡而设的,平衡时检流计无电流通过用于指示电桥平衡的仪器,除了检流计外,还有其它仪表,它们称为“示零器”当电桥平衡时,B和D两点的电位相等,容易证明,这时有下式成立R1/R2=RX/R0,若R
1、R
2、R0均已知,RX即可由上式求出
2.电桥的灵敏度公式RX=R1R0/R2是在电桥平衡的条件下推导出来的而电桥是否平衡,实验上是看检流计有无偏转来判断的当我们认为电桥已达到平衡时Ig=0,而Ig不可能绝对等于零,而仅是Ig小到无法用检流计检测而已例如,有一惠斯通电桥上的检流计偏转一格所对应的电流大约为10-6安培,当通过它的电流为10-7安培,指针偏转1/10格,我们是可以察觉出来的,当通过它的电流小于10-7安培时,指针的偏转小于1/10格,我们就很难察觉出来了为了定量地表示检流计不够灵敏带来的误差,可引入电桥灵敏度S的概念,它的定义是S=ΔRX是当电桥平衡后把RX改变一点的数量,而Δn是因为RX改变了ΔRX电桥略失平衡引起的检流计偏转格数
2、非平衡电桥的原理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R
1、R
2、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
(1)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=
02、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≠R
23、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=R2RX0=R3但R1≠R
34、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=KR3,R2=KRX0,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
(5)立式电桥和比例电桥的输出与4式相同被测电阻的ΔRRX0时,4式可简化为
(6)5式可进一步简化为7这时U0与△R成线性关系
3、功率桥当非平衡电桥的输出端接有一定阻值的负载时,电桥将输出一定的功率,这时称为功率电桥输出电压为
(3)式,即
(26)其中可见这时的输出电压降低了,所以电桥的电压测量灵敏度降低了输出电流为27输出功率为28当RL=Ri时,P有最大值Pm29下面分别讨论RL=Ri时各种桥路的输出情况
1、等臂电桥
3031322、卧式电桥
3334353、立式电桥和比例电桥363738其中可见,当ΔRRX0时,则UL、IO与ΔR成线性关系,Pm与成线性关系且当RL≠Ri时,UL、IO与ΔR仍成线性关系故在功率电桥情况下,仍可用输出电压、输出电流和输出功率来测得ΔR的值
三、实验仪器
1、DHQJ-1型非平衡电桥
2、电阻箱、欧姆表
四、操作步骤一使用前的准备
1、用随仪器配备的电源线将电桥连至220V交流电源,打开电桥后面的电源开关,接通电源
2、根据被测对象选择合适的工作电压,工作电压通过“电源调节”电位器调节,电压值可以用仪器自身的数字电压表测量单桥测量时电压值可以参照表1,非平衡电桥设计温度计实验则按照计算值给定二单桥的使用方法一般被测电阻大于10Ω的情况下可选择用单桥进行测量
1、将RXI和RX右端相连,被测电阻连接至RX两端,根据被测电阻的大小选择合适的R
1、R2值,接好数字电压表,作为检流计
2、选择合适的电源电压E,一般小于3V,灵敏度不够时,再适当调高E
3、连接好线路,进行检查,无误好接通G按钮,再接通B按钮,调节R3至数字电压表读数为零,表示电桥达到平衡注意,在本电桥上,R1选择可以是10Ω、100Ω、1000Ω,测量时一般优先取1000Ω,再是100Ω,最后是10ΩR2的选择可以是0~
11.111KΩ的任意值,习惯上为方便操作及计算,R2常选10Ω、100Ω、1KΩ、10KΩ等值
4、被测电阻值三非平衡电桥的使用方法人们称RL=∞的非平衡应用的电桥叫非平衡电桥;称具有负载RL的非平衡应用的电桥叫功率电桥下述的“非平衡电桥”都是指RL=∞的非平衡应用的电桥
1、将被测电阻(传感器)接入非平衡电桥,并进行初始平衡,这时电桥输出为0改变被测的非电量,则被测电阻发生变化,这时电桥输出电压,开始作相应变化测出这个电压后,可根据4式或5式计算得到ΔR对于ΔRRX0的情况下可按6式或7式计算得到ΔR值
2、根据测量结果求得Rx=RX0+△R,并可作U0—△R曲线,曲线的斜率就是电桥的测量灵敏度根据所得曲线,可由U0的值得到△R的值,也就是可根据电桥的输出U0来测得被测电阻Rx值四功率电桥的使用方法功率电桥方式使用时,在电桥的输出端接入一个负载电阻,这时电桥带载工作,输出与非平衡电桥不同将RP电阻加100Ω取样电阻一起接入面板上的G两端的插孔中,这时如果测量电桥的输出电流,则将数字电压表接入“IP测量”端,测得的电压除以取样电阻100Ω就是输出电流;如果测量电桥的输出电压,则将数字电压表接入“UP测量”端,测得的就是电桥的输出电压将电桥的输出电流乘以输出电压就得到电桥的输出功率多功能电桥实验
1、用惠斯通电桥测电阻及灵敏度E=3VRx/ΩR1/ΩR2/ΩR3/Ω△R/Ω△U/mv16_____1010266_____100103666_____
1000104666610001000102、非平衡电桥测电阻E=
1.5VR1=R2=5kΩRx0=
2.7KΩR3=KΩRx0/kΩ
2.
22.
32.
42.
52.
62.
72.
82.
93.
03.
13.2U0/mv
3、功率桥测量负载功率(不写)E=3VR1=R2=5kΩR3=KΩRx0=4KΩRp/kΩ
2.
82.
93.
03.
13.
23.
33.
43.
53.
63.
73.8Up/mvIp/μA数据处理
1、用惠斯通电桥测电阻及灵敏度E=3V1234K=R2/R1Rx=kR3S=
1、非平衡电桥测电阻E=
1.5VR1=R2=5kΩRx0=
2.7KΩR3=KΩRx0/kΩ
2.
22.
32.
42.
52.
62.
72.
82.
93.
03.
13.2Rx/kΩ
1、功率桥测量负载功率(不写)E=3VR1=R2=5kΩR3=KΩRx0=4KΩRp/kΩ
2.
82.
93.
03.
13.
23.
33.
43.
53.
63.
73.8Up/mvIp/μAP/wp__x=wPAGE7。