非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用

非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第一頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五研究背景

我們在學(xué)習(xí)了非平衡電橋之后認(rèn)識到非平衡電橋的重要作用，特別是由測量電阻而引發(fā)的一系列實(shí)驗(yàn)，如：利用非平衡電橋組裝鉑電阻溫度計(jì)，利用非平衡電橋測量電阻應(yīng)變片電阻的變化來測量壓力等；我們就想到能否設(shè)計(jì)一個裝置，配合不同的傳感器和放大電路，完成被測物理參數(shù)的測量，如溫度，質(zhì)量等?；舅悸啡鐖D所示：

非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第二頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五實(shí)驗(yàn)原理及方案

基本原理：非平衡電橋原理如圖所示，A、B兩端之間的電壓為：非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第三頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五a、用鉑電阻測溫度

導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化而變化，設(shè)0℃時(shí)的鉑電阻為R0，溫度為t℃時(shí)，電阻值近似有如下公式：

其中為電阻溫度系數(shù)

【說明】鉑電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。按IEC標(biāo)準(zhǔn),鉑熱電阻的使用溫度范圍為-200-850℃。對于Pt100而言，R0=100Ω。非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第四頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五具體步驟，如圖所示：①0℃下電橋平衡調(diào)，即把鉑電阻置于盛冰水合物的保溫瓶內(nèi)，調(diào)節(jié)非平衡電橋的電位器使電橋平衡。②將電路接到放大器電路中，調(diào)節(jié)OP07放大器的零點(diǎn)使顯示讀數(shù)為0.0℃。③將傳感器從保溫瓶中取出來后，再置于室溫下的水中，調(diào)節(jié)OP07的放大倍數(shù)，使顯示讀數(shù)與溫度計(jì)的示數(shù)相等?！咀ⅰ浚核脺囟扔?jì)的規(guī)格是50℃，0.1分度的。非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第五頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五b、用電阻應(yīng)變片測質(zhì)量

被測物理量力、力矩或壓力作用于彈性元件上使其發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之連接的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。電量大小反映被測量的大小。如圖所示，兩個應(yīng)變片粘貼在彈性體上，若使彈性體的m端受力彎曲產(chǎn)生位移x，則對于應(yīng)變片a的拉伸有

對于應(yīng)變片b的壓縮有

當(dāng)結(jié)構(gòu)確定后，式中的γ為常量。

非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第六頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五

當(dāng)彈性體端m從o點(diǎn)下移（受力彎曲）到x位置時(shí)，代入公式

整理可得非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第七頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五具體步驟：①調(diào)零。當(dāng)不在彈性體上放砝碼時(shí)，即m=0時(shí)調(diào)節(jié)非平衡電橋的電位器使UAB=0；然后調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器使數(shù)字顯示為0。②校準(zhǔn)。用10g的砝碼放在彈性體上，調(diào)節(jié)OP07的放大倍數(shù)，使數(shù)顯為10.0。③檢查。用50g的砝碼放在彈性體上，進(jìn)行檢查，觀察讀數(shù)是否為50.0g；若否，再進(jìn)行調(diào)節(jié)OP07。非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第八頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五誤差分析及補(bǔ)償主要有下述兩個方面：

1)電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：式中:Rt——溫度為t時(shí)的電阻值；

R0——溫度為t0時(shí)的電阻值；

α0——溫度為t0時(shí)金屬絲的電阻溫度系數(shù)；

Δt——溫度變化值，Δt=t-t0。Rt=R0(1+α0Δt)

非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第九頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)溫度變化Δt時(shí)，電阻絲電阻的變化值為：

ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)：環(huán)境溫度變化不會產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)：環(huán)境溫度變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第十頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五誤差的消除—電橋補(bǔ)償法（如圖所示）非平衡電橋的熱學(xué)應(yīng)用和力學(xué)應(yīng)用第十一頁，共十三頁，編輯于2023年，星期五實(shí)驗(yàn)精度分析

測量溫度時(shí)可以精確到0.1攝氏度，測量質(zhì)量時(shí)可以精確到0.1克。應(yīng)用前景展望

可以配合不同的傳感器和放大電路完成被測物理參數(shù)的測量。例如，可以做成大量程數(shù)字溫度計(jì)、可以作為各種電子