直流电桥测电阻实验装置

㈠ 求一份<<电阻应变式传感器测微小形变>>的实验预习报告!实验报告也行

【实验简介】

电学测量方法具有灵敏度高，响应速度快，便于自动控制与处理等特点。电学测量方法一般直接测量的是电学量，如电阻、电动势、电流、电容、电感等，因此，要用电学测量方法去测非电学量，就必须将非电学量转换成电学量，其转换器件称为传感器。本实验用电阻应变片作为传感器，将微小的形变转换成电阻的变化来测量悬臂梁的主应变。通过本实验了解电阻应变片（传感器）的结构及工作原理，掌握电桥测电阻的方法，理解灵敏度对测量的影响，用电桥测量应变片电阻的微小变化，进而测定悬臂梁的应变。

【预习与操作要点】

1．电桥测电阻原理

电桥分直流电桥和交流电桥两大类。本实验所用的自搭式单臂电桥亦即惠斯通电桥，主要用于测量1～106W范围内的中值电阻。和伏安法比较，由于其不用电表，避免了电表内阻以及精度不够高等因素造成的误差，因此成为准确测量电阻的常用方法之一。

惠斯通电桥由电源、桥臂、桥路三部分组成，其原理如4-20-1所示，未知电阻Rx与另外三个已知电阻R1、R2、R3构成了电桥的四个桥臂，电桥的一个对角线AC上接直流电源E，而另一对角线BD即桥路接灵敏电流计G。改变R1、R2、R3的阻值，可以改变B、D两点之间的电位差，当R1、R2、R3的阻值被调节成某一组合时，可以使B、D之间的电位差为零，此时电流计的指针就准确地指在零位，电桥处于平衡状态此时有

即有

将两式相比，得到

即

上式称为电桥平衡条件。

由电桥平衡条件可得

综上所述，利用电桥测量电阻的过程，就是调节R1、R2、R3使电桥达到平衡条件的过程，而平衡与否由电流计来判断。一旦电桥平衡，就可以根据（3-9-3）式，求出待测电阻Rx。

在直流电桥中，R3是标准电阻箱，此臂称为比较臂，而电阻R1、R2的比值可按10的整数次方变化，通常称为电桥的比率。

在用电桥测电阻时，电桥系统的灵敏程度反映了测量的精确程度，对于等臂电桥，常用绝对电桥灵敏度，其定义为

（mm/欧姆）

它表示电桥平衡后，DRx所引起的Dd越大，电桥灵敏度S越高，所得平衡点越精确，测量误差越小。电桥灵敏度不仅与灵敏电流计有关，还与所加电压及各桥臂电阻值的大小和配置有关，灵敏电流计的灵敏度越高，电源电压越大，电桥的灵敏度越高。

2．测量应变

将电阻应变片粘贴在试件的表面，应变片内电阻丝的两端接入测量电路（电桥）。随着试件受力变形，应变片的电阻丝也获得相应的形变使电阻值发生变化。由应变片的工作原理可知，当应变沿应变片的主轴方向时，应变片的电阻变化率和试件（本实验为悬臂梁）的主应变成正比，即

式中K为应变片的灵敏系数（此值由应变片厂家给出）；R是未加力时应变片阻值的初始值；DR是加力变形后应变片的电阻变化。所以只要测出应变片阻值的相对变化，便可得出被测试件的应变。本实验用平衡电桥测量应变片电阻的相对变化。实验装置及测量线路如图4-20-2和图4-20-3所示，

将被测试件一端夹持在稳固的基座上，其主体悬空，构成一悬臂梁。在悬臂梁固定端A处贴一应变片，在悬臂梁变形端B处贴一同型号同规格的应变片，在C端挂一砝码托盘以备加载。将A处的应变片作为温度补偿片R1，B处的应变片Rx作为传感器测量应变，用多体电阻箱R2、Ra和微调电阻箱Rb以及R1、Rx组成一电桥，作为微小形变测量电路。当C处加载时，悬臂梁将向下弯曲，B处产生变形，贴在B处的应变片亦发生变形，其电阻值发生变化，此电阻值的变化可通过电桥测量出来，从而测定悬臂梁B处的形变。

3．实验方法

（1）选择合适的电桥灵敏度

通常，在具体的电桥线路中，为保证测量有足够的灵敏度，往往根据比较臂电阻的最小单位步进值来选择合适的电桥灵敏度。所谓合适的电桥灵敏度就是当电桥平衡后，将比较臂电阻改变最小单位步进值时，电流计指针有明显的“动静”。这里所谓“动静”，是指电流计指针偏转小于等于1/2mm，即半格。

通过对电桥灵敏度测量的实验结果表明：当电桥平衡时，若某一桥臂电阻改变了DR，则电桥不再平衡，桥路上有电流通过，电流计偏转了Dd mm。当Dd<10mm时，DR与Dd成线性关系；当Dd>10mm时，DR与Dd不成线性关系。由于电桥灵敏度是在电桥平衡点附近定义的，当用实验的方法通过改变比较臂电阻使电流计偏转小于10mm来测量电桥灵敏度，可以认为是在平衡点附近测量的。考虑到若Dd取值太小，导致读数误差加大，在具体测量时，通常选取DR使Dd =5mm较为合适。

（2）测量温度补偿片的电阻值

在图4-20-3的测量线路中，用多体电阻箱R3替代应变片Rx，并取R3=Ra+Rb=120W（应变片初值），改变滑线变阻器阻值或电源电压，使电桥工作电流不超过40mA，选择合适的电桥灵敏度。调节R2使电桥平衡。此时R2的示值即为温度补偿片的阻值。

（3）测量应变

保持R2不变，去掉电阻箱R3，接入应变片Rx。选择合适的电桥灵敏度，调Ra和Rb使电桥平衡，Ra+Rb的值即为应变片的初始值。然后加一个砝码，由于应变导致应变片阻值变化，电桥失去平衡。调Rb使电桥重新平衡，记下此时的Ra+Rb值，依次将5个砝码加完，此即上行（加砝码）测量。然后取下一个砝码，调电桥平衡，记下相应的Ra+Rb的读数，依次将5个砝码取完，此即下行（减砝码）测量。将上行测量所得数据与同数量砝码时的下行测量数据平均，得到六个数据R0、R1、R2、R3、R4、R5，将以上数据用逐差法处理，即可求出加载1牛顿力时应变片的阻值变化量DR，然后利用相应公式求出应变。

【实验仪器】

电阻箱三个，微调电阻箱，复射式灵敏电流计，毫安表，滑线变阻器，直流电源，开关，保护电阻开关，阻尼电键，相同质量的砝码五个，水平悬臂梁，应变片，温度补偿片。

【分析思考】

1.为什么在本实验的测量线路中要用温度补偿片？能否用普通电阻代替？在图4-20-3中，将补偿片与电阻箱R2互换，能否测量？

2.假设电路中任一条导线断路，试分析调节电桥平衡时，可能出现的现象。

3.设计用非平衡电桥测量微小形变的方法。

㈡ 双臂电桥测电阻率实验中换向开关有何作用

双臂电桥测电阻率实验中换向开关的作用主要是，在实验中可以方便的改变待测电阻中通入的电流方向。可以分别测量正向电流和反向电流的电阻阻值。可以有效地消除热效应和电势差带来的误差。

改变磁场的方向或改变霍尔电流的方向，目的：消除不等势电压，消除热磁效应直接引起的附加电压，消除热磁效应产生的温差引起的附加电压。

(2)直流电桥测电阻实验装置扩展阅读：

被测电阻Rx和标准电阻Rn之间用阻值小于0.001Ω的粗导线接线使分流电流I3值较小，从上式可以看出，即使有很小的差别，被测电阻总是按上进行计算。这样就减少了这部分电阻和接触电阻对测量结果的影响。

Rx和Rn与电源连接的接线电阻，Cn1和Cx2的接触电阻，只对总的工作电流I有影响，而对电桥的平衡是无影响的，所以，这部分导线电阻和接触电阻对测量结果也是没影响的。

㈢ 求大学物理实验预习报告～测热敏电阻的温度特性

摘要：热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻，具有许多独特的优点和用途，在自动控制、无线电子技术、遥控技术及测温技术等方面有着广泛的应用。本实验通过用电桥法来研究热敏电阻的电阻温度特性，加深对热敏电阻的电阻温度特性的了解。
关键词：热敏电阻、非平衡直流电桥、电阻温度特性

1、引言

热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件，其电阻温度系数一般为（-0.003~+0.6）℃-1。因此，热敏电阻一般可以分为:
Ⅰ、负电阻温度系数（简称NTC）的热敏电阻元件
常由一些过渡金属氧化物（主要用铜、镍、钴、镉等氧化物）在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的，近年还有单晶半导体等材料制成。国产的主要是指MF91~MF96型半导体热敏电阻。由于组成这类热敏电阻的上述过渡金属氧化物在室温范围内基本已全部电离，即载流子浓度基本上与温度无关，因此这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要考虑迁移率与温度的关系，随着温度的升高，迁移率增加，电阻率下降。大多应用于测温控温技术，还可以制成流量计、功率计等。
Ⅱ、正电阻温度系数（简称PTC）的热敏电阻元件
常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺，高温烧制而成。这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度，而迁移率随温度的变化相对可以忽略。载流子数目随温度的升高呈指数增加，载流子数目越多，电阻率越小。应用广泛，除测温、控温，在电子线路中作温度补偿外，还制成各类加热器，如电吹风等。

2、实验装置及原理

【实验装置】
FQJ—Ⅱ型教学用非平衡直流电桥，FQJ非平衡电桥加热实验装置（加热炉内置MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）以及控温用的温度传感器），连接线若干。
【实验原理】
根据半导体理论，一般半导体材料的电阻率 和绝对温度 之间的关系为
（1—1）
式中a与b对于同一种半导体材料为常量，其数值与材料的物理性质有关。因而热敏电阻的电阻值 可以根据电阻定律写为
（1—2）
式中 为两电极间距离， 为热敏电阻的横截面， 。
对某一特定电阻而言， 与b均为常数，用实验方法可以测定。为了便于数据处理，将上式两边取对数，则有
（1—3）
上式表明 与 呈线性关系，在实验中只要测得各个温度 以及对应的电阻 的值，
以 为横坐标， 为纵坐标作图，则得到的图线应为直线，可用图解法、计算法或最小二乘法求出参数 a、b的值。
热敏电阻的电阻温度系数 下式给出
（1—4）
从上述方法求得的b值和室温代入式（1—4），就可以算出室温时的电阻温度系数。
热敏电阻 在不同温度时的电阻值，可由非平衡直流电桥测得。非平衡直流电桥原理图如右图所示，B、D之间为一负载电阻 ，只要测出 ，就可以得到 值。
当负载电阻 → ，即电桥输出处于开
路状态时， =0，仅有电压输出，用 表示，当 时，电桥输出 =0，即电桥处于平衡状态。为了测量的准确性，在测量之前，电桥必须预调平衡，这样可使输出电压只与某一臂的电阻变化有关。
若R1、R2、R3固定，R4为待测电阻，R4 = RX，则当R4→R4+△R时，因电桥不平衡而产生的电压输出为：
（1—5）
在测量MF51型热敏电阻时，非平衡直流电桥所采用的是立式电桥 ， ，且 ，则
（1—6）
式中R和 均为预调平衡后的电阻值，测得电压输出后，通过式（1—6）运算可得△R，从而求的 =R4+△R。

3、热敏电阻的电阻温度特性研究

根据表一中MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）之电阻~温度特性研究桥式电路，并设计各臂电阻R和 的值，以确保电压输出不会溢出（本实验 =1000.0Ω， =4323.0Ω）。
根据桥式，预调平衡，将“功能转换”开关旋至“电压“位置，按下G、B开关，打开实验加热装置升温，每隔2℃测1个值，并将测量数据列表（表二）。

表一 MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）之电阻～温度特性
温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
电阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

表二 非平衡电桥电压输出形式（立式）测量MF51型热敏电阻的数据
i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
温度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4
热力学T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4
0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4
0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9
4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1

根据表二所得的数据作出 ～ 图，如右图所示。运用最小二乘法计算所得的线性方程为 ，即MF51型半导体热敏电阻（2.7kΩ）的电阻～温度特性的数学表达式为 。

4、实验结果误差

通过实验所得的MF51型半导体热敏电阻的电阻—温度特性的数学表达式为 。根据所得表达式计算出热敏电阻的电阻～温度特性的测量值，与表一所给出的参考值有较好的一致性，如下表所示：
表三 实验结果比较
温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
参考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
测量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823
相对误差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

从上述结果来看，基本在实验误差范围之内。但我们可以清楚的发现，随着温度的升高，电阻值变小，但是相对误差却在变大，这主要是由内热效应而引起的。

5、内热效应的影响

在实验过程中，由于利用非平衡电桥测量热敏电阻时总有一定的工作电流通过，热敏电阻的电阻值大，体积小，热容量小，因此焦耳热将迅速使热敏电阻产生稳定的高于外界温度的附加内热温升，这就是所谓的内热效应。在准确测量热敏电阻的温度特性时，必须考虑内热效应的影响。本实验不作进一步的研究和探讨。
6、实验小结

通过实验，我们很明显的可以发现热敏电阻的阻值对温度的变化是非常敏感的，而且随着温度上升，其电阻值呈指数关系下降。因而可以利用电阻—温度特性制成各类传感器，可使微小的温度变化转变为电阻的变化形成大的信号输出，特别适于高精度测量。又由于元件的体积小，形状和封装材料选择性广，特别适于高温、高湿、振动及热冲击等环境下作温湿度传感器，可应用与各种生产作业，开发潜力非常大。