非平衡電橋制作數(shù)字溫度計設(shè)計

1、非平衡電橋制作數(shù)字溫度計 設(shè)計一、試驗?zāi)康?1、鞏固平衡電橋測量電阻的方法。2、學(xué)習(xí)和駕馭測量熱敏電阻溫度特性的基本原理和操作方法。3、用熱敏電阻結(jié)合非平衡電橋設(shè)計制作數(shù)字溫度計。 二、試驗儀器非平衡電橋、熱敏電阻、加熱源溫度限制器、導(dǎo)線等。三、試驗設(shè)計內(nèi)容1、用線性電阻（金屬電阻）結(jié)合非平衡電橋設(shè)計測量范圍為0100的數(shù)字溫度計。2、用非線性熱敏電阻為傳感器結(jié)合非平衡電橋設(shè)計測量范圍為1070的數(shù)字溫度計。四、試驗原理非平衡電橋的原理圖見圖16.1所示。非平衡電橋在構(gòu)成形式上和平衡電橋相像，但測量方法上有很大差別。平衡電橋要求通過調(diào)整達到，從而得到，非平衡電橋則使R1、R2、R3保持不變，由

2、變更引起U0變更。再依據(jù)U0和的函數(shù)關(guān)系，通過檢測U0的變更從而測得RX，由于可以檢測連續(xù)變更的U0，所以可以檢測連續(xù)變更的，進而檢測連續(xù)變更的非電量。 （a） （b） 圖 16.1 非平衡電橋及其等效電路1、非平衡電橋的輸出 非平衡電橋的輸出有兩種狀況：一種是輸出端開路或負載電阻很大近似于開路，如后接高內(nèi)阻數(shù)字電壓表或高輸入阻抗運放等狀況，這時稱為電壓輸出，實際運用中大多采納這種方式；另一種是輸出端接有肯定阻值的負載電阻，這時稱為功率輸出，簡稱功率電橋。依據(jù)戴維南定理，圖16.1(a)所示的橋路可等效為圖16.1（b）所示的二端口網(wǎng)絡(luò)。 圖16.2（a） 圖16.2（b） 其中為輸出端開路的

3、輸出電壓，為輸出阻抗，等效電路見圖16.2(a)、（b）電壓輸出的狀況下，有                         令，為被測電阻，為其初始值，為電阻變更量。并且初始值滿意電橋平衡條件代入以上兩式，可得這是作為一般形式非平衡電橋的輸出電壓和被測電阻之間的函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)被測電阻的時，上式可簡化為 這時U0和R成線性關(guān)系。假如可得假如 2、用非平衡電橋

4、測量電阻的方法 （1）、將被測電阻（傳感器）接入非平衡電橋，并進行初始平衡，為其初始值，這時電橋輸出為0。變更被測的非電量，則被測電阻也變更。這時電橋有相應(yīng)的電壓U0輸出。測出這個電壓后，就可計算得到。 （2）、依據(jù)測量結(jié)果求得。也可先作曲線，然后依據(jù)所得曲線，由的值得到及的值，這樣就可以依據(jù)非平衡電橋的輸出來測被測電阻。3、用非平衡電橋測溫度的方法 1）、用線性電阻（金屬電阻）測溫度鉑電阻（或金屬電阻）和溫度的關(guān)系，肯定溫度范圍內(nèi)可表示為式中 和分別為溫度為t和 0時的電阻。并且初始值滿意電橋平衡條件。在 0100范圍內(nèi)值作用不顯著，和近似成線性關(guān)系，即 所以，代入上式得式中的值可由試驗方法

5、測得：先測量電阻的溫度電阻特性，即選取不同的溫度，得到相應(yīng)的，并繪制曲線，其斜率即。這樣就可以由電橋的求得相應(yīng)的溫度變更量，從而求得。特別地，當(dāng)時，上式可簡化為  這時和成線性關(guān)系。2）、利用熱敏電阻測溫度 熱敏電阻具有負的電阻溫度系數(shù)，電阻值隨溫度上升而快速下降，這是因為熱敏電阻由一些金屬氧化物如Fe3O4、MgCr2O4等半導(dǎo)體制成，在這些半導(dǎo)體內(nèi)部，自由電子數(shù)目隨溫度的上升增加得很快，導(dǎo)電實力很快增加；雖然原子振動也會加劇并阻礙電子的運動，但這種作用對導(dǎo)電性能的影響遠小于電子被釋放而變更導(dǎo)電性能的作用，所以溫度上升會使電阻值快速下降。 熱敏電阻的電阻溫度特性可以用下述指數(shù)函數(shù)來

6、描述： （11） 式中A為常數(shù)。B為和材料有關(guān)的常數(shù)，T為肯定溫度。 為了求得精確的A和B，可將式（11）兩邊取對數(shù) （12） 先測量熱敏電阻的電阻溫度特性，即選取不同的溫度T，得到相應(yīng)的，并繪制曲線，即可求得A和B。常用半導(dǎo)體熱敏電阻的B值約為15005000K之間。 不同的溫度時有不同的值，電橋的也會有相應(yīng)的變更。可以依據(jù)和T的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)標定后，通過U0測量溫度T，但這時U0和T的關(guān)系是非線性的，顯示和運用不是很便利，這就須要對熱敏電阻進行線性化處理。線性化的方法許多，常見的有： 串聯(lián)法。通過選取一個合適的低溫度系數(shù)的電阻和熱敏電阻串聯(lián)，就可使溫度和電阻的倒數(shù)成線性關(guān)系；再用恒壓源構(gòu)成測

7、量電源，就可使測量電流和溫度成線性關(guān)系。 串并聯(lián)法。在熱敏電阻兩端串并聯(lián)電阻?？傠娮枋菧囟鹊暮瘮?shù)，在選定的溫度點進行級數(shù)綻開，并令綻開式的二次項為0，忽視高次項，從而求得串并聯(lián)電阻的阻值，這樣就可使總電阻和溫度成正比，綻開溫度常為測量范圍的中間溫度。具體推導(dǎo)可由學(xué)生自己完成。 非平衡電橋法。選擇合適的電橋參數(shù)，可使電橋輸出和溫度在肯定的范圍內(nèi)成近似的線性關(guān)系。 用運算放大器結(jié)合電阻網(wǎng)絡(luò)進行轉(zhuǎn)換，使輸出電壓和溫度成肯定的線性關(guān)系。下面重點講解并描述一下用非平衡電橋進行線性化設(shè)計的方法，其它方法可由學(xué)生自己完成。4、非平衡電橋測溫線性化方法在圖16.1中，R1、R2、R3為橋臂測量電阻，具有很小的

8、溫度系數(shù)，為熱敏電阻，由于只檢測電橋的輸出電壓，故RL開路，這時 （10）其中可見是溫度T的函數(shù)，將在須要測量的溫區(qū)中點T1處按泰勒級數(shù)綻開 式中為常數(shù)項，不隨溫度變更。為線性項，代表全部的非線性項，它的值越小越好，為此令 =0，的三次項可看做是非線性項，從的四次項起先數(shù)值很小，可以忽視不計。 依據(jù)以上的分析可推導(dǎo)出如下表達式式中t和t1分別T和T1對應(yīng)的攝氏溫度，線性函數(shù)部分為 式中和的值分別為 非線性部分是系統(tǒng)誤差，具體推導(dǎo)可自己進行或參看有關(guān)資料。 線性化設(shè)計的過程如下： 依據(jù)給定的測溫范圍確定的值，一般為測溫區(qū)間的中間值，E的值由電橋本身確定（約為3V）。 依據(jù)非平衡電橋的顯示表頭，適

9、當(dāng)選取和的值，可考慮使顯示的毫伏數(shù)正好為攝氏溫度值，這時m=1mV/，為測溫范圍的中心值t1mV。假如要提高溫度讀數(shù)辨別率，可選m=2mV/，這時為2 t1mV。也可自選和m的值。 R3和R2的比值由下式求得 選好R3和R2的比值后，依據(jù)熱敏電阻在T1時的阻值大小，選擇和其值相近的R3值，即可確定R2的值。四、試驗設(shè)計步驟 1、用線性電阻（金屬電阻PT100）測溫度 （1）、先測量PT100“熱敏電阻”的電阻溫度特性，可用電橋或數(shù)字萬用表測量。即選取不同的溫度，得到相應(yīng)的，并繪制曲線，其斜率即。起始溫度可以選室溫或測量范圍內(nèi)的其他溫度。 溫度（） （2）、將PT100“熱敏電阻”端接到非平衡電

10、橋輸入端，當(dāng)加熱源溫度限制器所顯示的溫度達到穩(wěn)定后，讀取相應(yīng)的電橋輸出，每隔肯定溫度測量一次，記錄于表中，并可繪制曲線，這樣就可以依據(jù)通過測量溫度。 溫度（） （3）、依據(jù)非平衡電橋的顯示表頭，通過適當(dāng)選取橋臂電阻的值，使顯示的毫伏數(shù)正好為攝氏溫度值。 2、用非線性熱敏電阻設(shè)計測量范圍為1070的數(shù)字溫度計 （1）、先測量熱敏電阻的電阻溫度特性，選取不同的溫度T，得到相應(yīng)的，并繪制曲線，求得A和B的值。溫度（） （2）、已有的已知條件為E=3V，T1=313K，B已求得，再依據(jù)非平衡電橋選擇和m，舉薦值為=40mV，m=1mV/；為提高測溫辨別率也可選=80mV，m=2mV/，這樣可按（16）式求得R3/R2，R3的值可選熱敏電阻在40時的阻值。 留意：為縮短試驗時間，可先在課前以B值為3000K進行計算，并論證可行性，課上再依據(jù)實測值進行正式設(shè)計，確定R2、R3的值。(3)、按以上