1-DHQJ-1非平衡电桥.doc

1-DHQJ-1 非平衡电桥多功能电桥的原理和应用电桥可分为平衡电桥和非平衡电桥, 非平衡电桥也称不平衡电桥或微差电桥。以往在教学中往往只做平衡电桥实验。近年来, 非平衡电桥在教学中受到了较多的重视, 因为通过它可以测量一些变化的非电量, 这就把电桥的应用范围扩展到很多领域, 所以在工程测量中非平衡电桥也得到了广泛的应用。一、实验目的 1 、掌握用惠斯通电桥测电阻的原理与方法 2 、掌握非平衡电桥的工作原理以及与平衡电桥的异同 3 、掌握利用非平衡电桥的输出电压来测量变化电阻的原理和方法 4 、掌握功率电桥的功率输出。二、实验原理 1 、惠斯通电桥惠斯通电桥(也称单臂电桥)的电路如图 3-5 -1 所示,四个电阻 R1、 R2、 Rb 、 RX 组成一个四边形的回路,每一边称作电桥的一个臂。在一对对角 AC 之间接入电源,而在另一对角 BD 之间接入检流计,构成所谓“桥路”。所谓“桥”本身的意思就是指这条对角线 BD 而言。它的作用就是把“桥”的两端点联系起来,从而将这两点的电位直接进行比较。 B、D 两点的电位相等时称作电桥平衡。反之, 称作电桥不平衡。检流计是为了检查电桥是否平衡而设的, 平衡时检流计无电流通过。用于指示电桥平衡的仪器,除了检流计外,还有其它仪表,它们称为“示零器”。当电桥平衡时, B和D 两点的电位相等,容易证明,这时有下式成立 R1/R2=RX/R0 ,若 R1、 R2 、 R0 均已知, RX 即可由上式求出。 2. 电桥的灵敏度公式 RX = R1R0/R2 是在电桥平衡的条件下推导出来的。而电桥是否平衡,实验上是看检流计有无偏转来判断的。当我们认为电桥已达到平衡时 Ig= 0,而 Ig 不可能绝对等于零, 而仅是 Ig 小到无法用检流计检测而已。例如, 有一惠斯通电桥上的检流计偏转一格所对应的电流大约为 10-6 安培,当通过它的电流为 10-7 安培, 指针偏转 1/ 10格, 我们是可以察觉出来的, 当通过它的电流小于 10-7 安培时, 指针的偏转小于 1/ 10格, 我们就很难察觉出来了。为了定量地表示检流计不够灵敏带来的误差, 可引入电桥灵敏度 S 的概念,它的定义是 S= Δ RX 是当电桥平衡后把 RX 改变一点的数量,而Δn 是因为 RX 改变了Δ RX 电桥略失平衡引起的检流计偏转格数。 2 、非平衡电桥的原理非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似,但测量方法上有很大差别。 R2 平衡电桥是调节 R3使 I0=0 ,从而得到 RX?? R3 ,非平衡电桥则是使 R1、 R2、 R3 保持不变, RX 变化时则 U0 变化。再根据 U0 与 RX 的函数关系, 通过检测 U0 的变化从而测得 RX 。由于可以检测连续变化的 U0 , 所以可以检测连续变化的 RX ,进而检测连续变化的非电量。(一)非平衡电桥的桥路形式 1 、等臂电桥电桥的四个桥臂阻值相等,即 R1=R2=R3=RX0 ; 其中 RX0 是 RX 的初始值,这时电桥处于平衡状态, U0=0 。 2 、卧式电桥也称输出对称电桥这时电桥的桥臂电阻对称于输出端,即 R1= R3, R2= RX0 ,但 R1≠ R2 3 、立式电桥也称电源对称电桥这时从电桥的电源端看桥臂电阻对称相等即 R1=R2 RX0=R3 但 R1≠ R3 4 、比例电桥这时桥臂电阻成一定的比例关系,即 R1=KR2 , R3=KRX0 或 R1=K R3, R2=K RX0 ,K 为比例系数。实际上这是一般形式的非平衡电桥。(二)非平衡电桥的输出非平衡电桥的输出接负载大小分类又可分为两种。一种是负载阻抗相对于桥臂电阻很大, 如输入阻抗很高的数字电压表或输入阻抗很大的运算放大 1 电路; 另一种是负载阻抗较小, 和桥臂电阻相比拟。后一种由于非平衡电桥需输出一定的功率,故又称为功率电桥。根据戴维南定理,图1 所示的桥路可等效为图 2(a) 所示的二端口网络。图2(a)图2(b) 其中 U0C 为等效电源, Ri 为等效内阻。由图 1 可知,在 RL= ∞时,等效电源电压值为: R3??RxUoc?E? ?? ?R2?RxR1?R3? 根据戴维南定理,将E 电源短路, 得到图 2(b) 电路, 据此可求出电桥等效内阻: R2RxR3R1Ri?? R2? RxR1?R3 根据图 2(a )电路,得到电桥接有负载 RL 时输出电压: U0? L???(1) ??? ERRx Ri?RL?R2?RxR3 R1?R3? 电压输出的情况下 RL →∞,所以有 R3??Rx (2) U0?????ER2?RxR1?R3?? 根据( 1 )式,可进一步分析电桥输出电压和被测电阻值关系。令 Rx=RX0+ ΔR, Rx 为被测电阻, ΔR 为电阻变化量。根据( 1 )式,