河南省第二屆物理實驗競賽校內(nèi)選拔賽預(yù)賽選題

河南省第二屆物理實驗競賽校內(nèi)選拔賽預(yù)賽選題實驗內(nèi)容：用熱敏電阻作為傳感器結(jié)合非平衡電橋設(shè)計測量范圍為30.0~80.0℃要求：設(shè)計方案包括實驗原理、實驗電路圖、具體實驗步驟以及實驗中存在的可能性誤差分析。實驗儀器參考：DHQJ-1型非平衡電橋、DHW-2型溫度傳感實驗裝置（含2.7KΩ熱敏電阻）儀器說明見QQ群文件：非平衡電橋（一）實驗講義及思考題。（也可以自己設(shè)計選用其它儀器）按照要求，完成物理實驗競賽預(yù)賽設(shè)計方案。注意：下面內(nèi)容需要雙面打印，也可以來2號實驗樓233辦公室領(lǐng)取。河南省第二屆物理實驗競賽校內(nèi)選拔賽預(yù)賽設(shè)計方案設(shè)計題目：學(xué)院：班級：姓名：學(xué)號：填表注意事項實驗題目自擬，突出實驗的目的和本質(zhì)，不應(yīng)超過16個漢字。方法原理。主要闡述實驗設(shè)計思想，利用掌握的知識，查閱資料，寫好實驗實際中所應(yīng)用到的原理。所需儀器。詳細列出完成實驗所需要的合適的儀器。測試步驟。根據(jù)實驗原理和儀器，設(shè)計實驗測量的過程，逐條寫出，并繪制實驗數(shù)據(jù)表格。創(chuàng)新點。寫出實驗設(shè)計中具有創(chuàng)新理念的內(nèi)容。題目：方法原理所需儀器測試步驟創(chuàng)新點

附：非平衡電橋的應(yīng)用（一）——測金屬電阻的溫度特性【實驗?zāi)康摹?、掌握非平衡電橋的工作原理以及與平衡電橋的異同。2、掌握利用非平衡電橋的輸出電壓來測量變化電阻的原理和方法。3、用直流非平衡電橋測量銅電阻溫度特性?！緦嶒瀮x器】1、DHQJ-1型非平衡電橋、導(dǎo)線若干2、DHW溫度傳感實驗裝置（銅電阻、熱敏電阻）。儀器結(jié)構(gòu)及說明DHQJ-1型非平衡電橋儀器面板見圖1-1圖1-1圖1-1DHW溫度傳感器實驗裝置儀器面板見圖1-2圖1-21、測量值：顯示器(綠)2、設(shè)定值：顯示器(紅)3、加數(shù)鍵()：在參數(shù)設(shè)定狀態(tài)下，作加數(shù)鍵。4、減數(shù)鍵()：5、設(shè)定鍵(S)：設(shè)定值：按設(shè)定鍵(S)，SV顯示器一位數(shù)碼管閃爍，則該位進入修改狀態(tài)，再按S鍵，閃爍位向左移一位，不按設(shè)定鍵(S)8秒(即數(shù)碼管閃爍8秒)自動停止閃爍并返回至正常顯示設(shè)定值。5-3、設(shè)定鍵(S)+加數(shù)鍵()：組合鍵設(shè)定PID參數(shù)。5-4、設(shè)定鍵(S)+減數(shù)鍵()：組合鍵設(shè)定PID參數(shù)。10、加熱電流輸出插座。11、風(fēng)扇電壓輸出插座。12、加熱爐信號輸入插座。13、加熱電流調(diào)節(jié)電位器。14、加熱電流輸出控制開關(guān)。15、加熱電流顯示屏。DHW溫度傳感器實驗加熱裝置結(jié)構(gòu)圖見1-3圖1-31、風(fēng)扇開關(guān)2、風(fēng)扇電壓輸入插座3、底座4、風(fēng)扇5、隔離圓筒6、測溫傳感器7、測試圓銅塊8、加熱器9、被測傳感器10、隔離塊11、加熱電流輸入插座12、信號輸出插座13、隔熱層儀器的電源、數(shù)字表、橋臂電阻R1、R2、R3以及RP電阻之間各自是相互獨立的，按照電橋上的各自插座孔，通過連線組成橋路。電橋的B按鈕，內(nèi)部已經(jīng)與電源連接，用于接通橋路電源；電橋的G按鈕，內(nèi)部已經(jīng)與數(shù)字電壓表連接，用于接通數(shù)字電壓表的通斷。RP電位器用于功率電橋時作為負載使用，調(diào)節(jié)范圍0～10KΩ，與其串聯(lián)有100Ω電阻。功率電橋?qū)嶒灂r，只要將電壓表接到該電阻上，即“IP測量端”便可測得電橋的輸出電流；接到“UP測量端”便可測得電橋的輸出電壓。【實驗原理】直流非平衡電橋直流電橋可分為平衡電橋和非平衡電橋(非平衡電橋也稱不平衡電橋或微差電橋)。平衡電橋需要工作在平衡態(tài)下,可以準確測量未知電阻(如單臂電橋)，測量精度很高,但平衡的調(diào)節(jié)要求嚴格,需要耗費一定的時間,非平衡電橋工作在非平衡態(tài)下,可測量任一橋臂上的物理量變化,實際生產(chǎn)技術(shù)中,往往有些待測量準確度要求不是很高,但需要連續(xù)快捷的測量。如:鐵路橋梁的應(yīng)力檢測,產(chǎn)品質(zhì)量檢測及待測量的變化量等,尤其是傳感器技術(shù)越來越廣泛應(yīng)用于各種非電學(xué)量測量、智能檢測和自動控制系統(tǒng)中,在這種情況下,直流非平衡電橋就顯示出了優(yōu)勢,這時電橋中某一個或幾個橋臂,往往是具有一定功能的傳感元件這些元件的電阻值隨待測物理量(如溫度,壓力)的變化相應(yīng)改變,電橋處于非平衡狀態(tài)，利用非平衡電橋可以很快連續(xù)測量這些傳感元件電阻的變化,獲得這些物理量變化的信息，因此，隨各類傳感器日新月異的發(fā)展,非平衡電橋的應(yīng)用日益廣泛。非平衡電橋的原理圖見圖2。圖2非平衡電橋在構(gòu)成形式上與平衡電橋相似，但測量方法上有很大差別。平衡電橋是調(diào)節(jié)R3使I0=0，從而得到，非平衡電橋的橋路形式1、等臂電橋電橋的四個橋臂阻值相等，即R1=R2=R3=RX0；其中RX0是RX的初始值，這時電橋處于平衡狀態(tài)，U0=0。2、臥式電橋也稱輸出對稱電橋這時電橋的橋臂電阻對稱于輸出端，即R1=R3，R2=RX0，但R1≠R2立式電橋也稱電源對稱電橋這時從電橋的電源端看橋臂電阻對稱相等即R1=R2RX0=R3但R1≠R3比例電橋這時橋臂電阻成一定的比例關(guān)系，即R1=KR2，R3=KRX0或R1=KR3，R2=KRX0，K為比例系數(shù)。實際上這是一般形式的非平衡電橋。（二）非平衡電橋的輸出非平衡電橋的輸出接負載大小分類又可分為兩種。一種是負載阻抗相對于橋臂電阻很大，如輸入阻抗很高的數(shù)字電壓表或輸入阻抗很大的運算放大電路；另一種是負載阻抗較小，和橋臂電阻相比擬。后一種由于非平衡電橋需輸出一定的功率，故又稱為功率電橋。根據(jù)戴維南定理，圖2所示的橋路可等效為圖3（a）所示的二端口網(wǎng)絡(luò)。圖3（a）圖3（b）其中U0C為等效電源，Ri為等效內(nèi)阻。由圖1可知，在RL=∞時，等效電源電壓值為：根據(jù)戴維南定理，將E電源短路，得到圖2（b）電路，據(jù)此可求出電橋等效內(nèi)阻：根據(jù)圖2（a）電路，得到電橋接有負載RL時輸出電壓：（1）電壓輸出的情況下RL→∞，所以有（2）根據(jù)（1）式，可進一步分析電橋輸出電壓和被測電阻值關(guān)系。令Rx=RX0+ΔR，Rx為被測電阻，ΔR為電阻變化量。根據(jù)（1）式，因為RX0為其初始值，此時電橋平衡，有，所以（3）當RL=∞時，因為，所以，代入上式有（4）特殊地，對于等臂電橋和臥式電橋，（4）式簡化為（5）立式電橋和比例電橋的輸出與(4)式相同。被測電阻的變化量ΔR<<RX0時，(4)式可簡化為（6）(5)式可進一步簡化為(7)這時U0與△R成線性關(guān)系(三)用非平衡電橋測量電阻的方法習(xí)慣上，人們稱RL=∞的非平衡應(yīng)用的電橋叫非平衡電橋；稱具有負載RL的非平衡應(yīng)用的電橋叫功率電橋。下述的“非平衡電橋”都是指RL=∞的非平衡應(yīng)用的電橋。1、將被測電阻（傳感器）接入非平衡電橋，并進行初始平衡，這時電橋輸出為0。改變被測的非電量，則被測電阻發(fā)生變化，這時電橋輸出電壓，開始作相應(yīng)變化。測出這個電壓后，可根據(jù)(4)式或(5)式計算得到ΔR。對于ΔR<<RX0的情況下可按(6)式或(7)式計算得到ΔR值。2、根據(jù)測量結(jié)果求得Rx=RX0+△R，并可作U0—△R曲線，曲線的斜率就是電橋的測量靈敏度。根據(jù)所得曲線，可由U0的值得到△R的值，也就是可根據(jù)電橋的輸出U0來測得被測電阻Rx值。【實驗步驟及數(shù)據(jù)處理】用非平衡電橋測量銅電阻1、預(yù)調(diào)電橋平衡起始溫度可以選室溫或測量范圍內(nèi)的其他溫度。選等臂電橋或臥式電橋做一組U0、ΔR數(shù)據(jù)。將DHW型溫度傳感實驗裝置的“銅電阻”端接到非平衡電橋輸入端。調(diào)節(jié)合適的橋臂電阻，使U0=0，測出RX0=Ω，并記下初始溫度t0=℃。2、調(diào)節(jié)控溫儀，使銅電阻升溫，根據(jù)數(shù)字溫控表的顯示溫度，讀取相應(yīng)的電橋輸出U0。ΔR的值根據(jù)公式（5）可求得：。每隔一定溫度測量一次，記錄于表1。表1U0（mV）ΔR銅電阻RX3、根據(jù)測量結(jié)果在坐標紙上作RX―t曲線,由逐差法求斜率，由此求出銅電阻溫度系數(shù)，