非平衡電橋制作數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)

1、非平衡電橋制作數(shù)字溫度計(jì) 設(shè)計(jì)一、試驗(yàn)?zāi)康?1、鞏固平衡電橋測(cè)量電阻的方法。2、學(xué)習(xí)和駕馭測(cè)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(jì)制作數(shù)字溫度計(jì)。 二、試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容1、用線性電阻（金屬電阻）結(jié)合非平衡電橋設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為0100的數(shù)字溫度計(jì)。2、用非線性熱敏電阻為傳感器結(jié)合非平衡電橋設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為1070的數(shù)字溫度計(jì)。四、試驗(yàn)原理非平衡電橋的原理圖見(jiàn)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(cè)量方法上有很大差別。平衡電橋要求通過(guò)調(diào)整達(dá)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(guò)檢測(cè)U0的變更從而測(cè)得RX，由于可以檢測(cè)連續(xù)變更的U0，所以可以檢測(cè)連續(xù)變更的，進(jìn)而檢測(cè)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(kāi)路或負(fù)載電阻很大近似于開(kāi)路，如后接高內(nèi)阻數(shù)字電壓表或高輸入阻抗運(yùn)放等狀況，這時(shí)稱為電壓輸出，實(shí)際運(yùn)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(fù)載電阻，這時(shí)稱為功率輸出，簡(jiǎn)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(kāi)路的

3、輸出電壓，為輸出阻抗，等效電路見(jiàn)圖16.2(a)、（b）電壓輸出的狀況下，有                         令，為被測(cè)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(cè)電阻之間的函數(shù)關(guān)系。 當(dāng)被測(cè)電阻的時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為 這時(shí)U0和R成線性關(guān)系。假如可得假如 2、用非平衡電橋

4、測(cè)量電阻的方法 （1）、將被測(cè)電阻（傳感器）接入非平衡電橋，并進(jìn)行初始平衡，為其初始值，這時(shí)電橋輸出為0。變更被測(cè)的非電量，則被測(cè)電阻也變更。這時(shí)電橋有相應(yīng)的電壓U0輸出。測(cè)出這個(gè)電壓后，就可計(jì)算得到。 （2）、依據(jù)測(cè)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(lái)測(cè)被測(cè)電阻。3、用非平衡電橋測(cè)溫度的方法 1）、用線性電阻（金屬電阻）測(cè)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(shí)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(yàn)方法

5、測(cè)得：先測(cè)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(shí)，上式可簡(jiǎn)化為  這時(shí)和成線性關(guān)系。2）、利用熱敏電阻測(cè)溫度 熱敏電阻具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，電阻值隨溫度上升而快速下降，這是因?yàn)闊崦綦娮栌梢恍┙饘傺趸锶鏔e3O4、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(shí)力很快增加；雖然原子振動(dòng)也會(huì)加劇并阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，但這種作用對(duì)導(dǎo)電性能的影響遠(yuǎn)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(huì)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(lái)

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(duì)數(shù) （12） 先測(cè)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(shí)有不同的值，電橋的也會(huì)有相應(yīng)的變更?？梢砸罁?jù)和T的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)標(biāo)定后，通過(guò)U0測(cè)量溫度T，但這時(shí)U0和T的關(guān)系是非線性的，顯示和運(yùn)用不是很便利，這就須要對(duì)熱敏電阻進(jìn)行線性化處理。線性化的方法許多，常見(jiàn)的有： 串聯(lián)法。通過(guò)選取一個(gè)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(cè)

7、量電源，就可使測(cè)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。總電阻是溫度的函數(shù)，在選定的溫度點(diǎn)進(jìn)行級(jí)數(shù)綻開(kāi)，并令綻開(kāi)式的二次項(xiàng)為0，忽視高次項(xiàng)，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(kāi)溫度常為測(cè)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(yùn)算放大器結(jié)合電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(diǎn)講解并描述一下用非平衡電橋進(jìn)行線性化設(shè)計(jì)的方法，其它方法可由學(xué)生自己完成。4、非平衡電橋測(cè)溫線性化方法在圖16.1中，R1、R2、R3為橋臂測(cè)量電阻，具有很小的

8、溫度系數(shù)，為熱敏電阻，由于只檢測(cè)電橋的輸出電壓，故RL開(kāi)路，這時(shí) （10）其中可見(jiàn)是溫度T的函數(shù)，將在須要測(cè)量的溫區(qū)中點(diǎn)T1處按泰勒級(jí)數(shù)綻開(kāi) 式中為常數(shù)項(xiàng)，不隨溫度變更。為線性項(xiàng)，代表全部的非線性項(xiàng)，它的值越小越好，為此令 =0，的三次項(xiàng)可看做是非線性項(xiàng)，從的四次項(xiàng)起先數(shù)值很小，可以忽視不計(jì)。 依據(jù)以上的分析可推導(dǎo)出如下表達(dá)式式中t和t1分別T和T1對(duì)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(jìn)行或參看有關(guān)資料。 線性化設(shè)計(jì)的過(guò)程如下： 依據(jù)給定的測(cè)溫范圍確定的值，一般為測(cè)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(shí)m=1mV/，為測(cè)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(shí)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(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)步驟 1、用線性電阻（金屬電阻PT100）測(cè)溫度 （1）、先測(cè)量PT100“熱敏電阻”的電阻溫度特性，可用電橋或數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)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(cè)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(dá)到穩(wěn)定后，讀取相應(yīng)的電橋輸出，每隔肯定溫度測(cè)量一次，記錄于表中，并可繪制曲線，這樣就可以依據(jù)通過(guò)測(cè)量溫度。 溫度（） （3）、依據(jù)非平衡電橋的顯示表頭，通過(guò)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(jì)測(cè)量范圍為1070的數(shù)字溫度計(jì) （1）、先測(cè)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(cè)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(shí)的阻值。 留意：為縮短試驗(yàn)時(shí)間，可先在課前以B值為3000K進(jìn)行計(jì)算，并論證可行性，課上再依據(jù)實(shí)測(cè)值進(jìn)行正式設(shè)計(jì)，確定R2、R3的值。(3)、按以上