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1、直流单臂电桥实验直流单臂电桥实验刘金环1实验序实验序n n电桥是采用桥式电路的电测量仪器，是一电桥是采用桥式电路的电测量仪器，是一种比较式的测量仪器。它在电测技术中应种比较式的测量仪器。它在电测技术中应用极为广泛，可以用来测量电阻、电容、用极为广泛，可以用来测量电阻、电容、电感、频率、温度、压力等许多物理量。电感、频率、温度、压力等许多物理量。n n电桥仪器主要分为直流电桥和交流电桥两电桥仪器主要分为直流电桥和交流电桥两大类。直流电桥按其结构又可分为单臂电大类。直流电桥按其结构又可分为单臂电桥和双臂电桥。桥和双臂电桥。2电桥有两种工作方式电桥有两种工作方式: :n n平衡电桥：平衡电桥：直接测
2、量桥臂电阻的大小，得直接测量桥臂电阻的大小，得到测量结果。到测量结果。n n非平衡电桥：非平衡电桥：测量桥臂电阻的变化量，以测量桥臂电阻的变化量，以得到测量结果，主要用于非电量的电测技得到测量结果，主要用于非电量的电测技术。术。3n n根据根据科学时报科学时报报道（报道（2001.7.3)2001.7.3)，德，德国波鸿鲁尔大学宣布，该大学的电子技国波鸿鲁尔大学宣布，该大学的电子技术人员制成了世界上最小的电桥，它只术人员制成了世界上最小的电桥，它只有有1212纳米长，有助于推进微型计算机芯纳米长，有助于推进微型计算机芯片的开发工作。片的开发工作。4预习要点n n单臂电桥的电路结构；单臂电桥的电
3、路结构；n n直流单臂电桥测电阻的原理和方法；直流单臂电桥测电阻的原理和方法；n n电阻温度系数的物理意义；电阻温度系数的物理意义；n n柱面加热器和温度柱面加热器和温度测控仪测控仪的使用要点。的使用要点。5一、实验目的和学习要求一、实验目的和学习要求n n学习单臂电桥的电路组成；学习单臂电桥的电路组成； n n理解并掌握用直流单臂电桥测电阻的原理理解并掌握用直流单臂电桥测电阻的原理和方法；和方法；n n掌握多功能温度测控仪和恒温柱面加热器掌握多功能温度测控仪和恒温柱面加热器的使用；的使用；n n用用QJ24QJ24型直流单臂电桥测铜、合金、半导型直流单臂电桥测铜、合金、半导体在不同温度下的电
4、阻值，计算铜电阻的体在不同温度下的电阻值，计算铜电阻的温度系数。温度系数。6二、实验原理二、实验原理1 1直流单臂电桥直流单臂电桥n n直流单臂电桥也叫惠斯通电桥，其原理电路如图直流单臂电桥也叫惠斯通电桥，其原理电路如图直流单臂电桥也叫惠斯通电桥，其原理电路如图直流单臂电桥也叫惠斯通电桥，其原理电路如图所示。四个电阻所示。四个电阻所示。四个电阻所示。四个电阻R R R R0 0 0 0、R R R R1 1 1 1、R R R R2 2 2 2和和和和RxRxRxRx构成一个四边形，构成一个四边形，构成一个四边形，构成一个四边形，每条边称作电桥的一个每条边称作电桥的一个每条边称作电桥的一个每条
5、边称作电桥的一个“ “臂臂臂臂” ”。n n 对角对角对角对角A A A A和和和和C C C C上加上电源上加上电源上加上电源上加上电源E E E E，对角，对角，对角，对角B B B B和和和和D D D D之间连接检流计之间连接检流计之间连接检流计之间连接检流计G G G G。检流计的。检流计的。检流计的。检流计的作用是将作用是将作用是将作用是将“ “桥桥桥桥” ”两端的电位两端的电位两端的电位两端的电位UBUBUBUB和和和和UDUDUDUD进行比较。进行比较。进行比较。进行比较。RxRxRxRx是待测电阻，是待测电阻，是待测电阻，是待测电阻，R R R R1 1 1 1、R R R
6、R2 2 2 2是已知电阻，是已知电阻，是已知电阻，是已知电阻，R R R R0 0 0 0是可调节可读是可调节可读是可调节可读是可调节可读数的标准电阻。数的标准电阻。数的标准电阻。数的标准电阻。7n n适当选择适当选择适当选择适当选择R R R R1 1 1 1、R R R R2 2 2 2的值，调节的值，调节的值，调节的值，调节R R R R0 0 0 0的电阻值，使的电阻值，使的电阻值，使的电阻值，使B B B B、D D D D两点的电位相等时（两点的电位相等时（两点的电位相等时（两点的电位相等时（U U U UB B B B=U=U=U=UD D D D），检流计中无电流），检流计中
7、无电流），检流计中无电流），检流计中无电流通过，即通过，即通过，即通过，即Ig=0 Ig=0 Ig=0 Ig=0 ，这时称为电桥平衡。，这时称为电桥平衡。，这时称为电桥平衡。，这时称为电桥平衡。n n电桥平衡时，电桥平衡时，电桥平衡时，电桥平衡时，Ig=0Ig=0Ig=0Ig=0，I I I I1 1 1 1=Ix=Ix=Ix=Ix，I I I I2 2 2 2=I=I=I=I0 0 0 0， 同时由于同时由于同时由于同时由于B B B B、D D D D两点的电位相同，所以两点的电位相同，所以两点的电位相同，所以两点的电位相同，所以 U U U UABABABAB=U=U=U=UADADAD
8、AD， U U U UBCBCBCBC=U=U=U=UDCDCDCDC。根据欧姆定律有：根据欧姆定律有：根据欧姆定律有：根据欧姆定律有：I I I I1 1 1 1R R R R1 1 1 1=I=I=I=I2 2 2 2R R R R2 2 2 2，Ix Rx=IIx Rx=IIx Rx=IIx Rx=I0 0 0 0R R R R0 0 0 0 所以所以所以所以此式是电桥平衡的条件，此式是电桥平衡的条件，称为电桥平衡公式。称为电桥平衡公式。82 2导体的电阻温度特性导体的电阻温度特性n n导体的电阻均与温度有关。在通常温度下，多数导体的电阻均与温度有关。在通常温度下，多数导体的电阻均与温度
9、有关。在通常温度下，多数导体的电阻均与温度有关。在通常温度下，多数纯金属的电阻其阻值的大小随温度的变化呈线性纯金属的电阻其阻值的大小随温度的变化呈线性纯金属的电阻其阻值的大小随温度的变化呈线性纯金属的电阻其阻值的大小随温度的变化呈线性关系，可用下式来表示。关系，可用下式来表示。关系，可用下式来表示。关系，可用下式来表示。n n式中式中式中式中RtRtRtRt是导体在温度为是导体在温度为是导体在温度为是导体在温度为tttt时的电阻值；时的电阻值；时的电阻值；时的电阻值；R R R R0 0 0 0为导体为导体为导体为导体在在在在0000时的电阻值；时的电阻值；时的电阻值；时的电阻值； 称为电阻的
10、温度系数。称为电阻的温度系数。称为电阻的温度系数。称为电阻的温度系数。n n严格地说，各种导体的温度系数严格地说，各种导体的温度系数严格地说，各种导体的温度系数严格地说，各种导体的温度系数 和温度有关，和温度有关，和温度有关，和温度有关，但在但在但在但在0000100100100100范围以内，范围以内，范围以内，范围以内， 值变化很小，可认为值变化很小，可认为值变化很小，可认为值变化很小，可认为不变。不变。不变。不变。 9n n康铜、锰钢等合金，电阻几乎不随温度变化，康铜、锰钢等合金，电阻几乎不随温度变化，康铜、锰钢等合金，电阻几乎不随温度变化，康铜、锰钢等合金，电阻几乎不随温度变化，值很小
11、，约为值很小，约为值很小，约为值很小，约为0.2100.2100.2100.210-4-4-4-4/。利用合金的这一性质，。利用合金的这一性质，。利用合金的这一性质，。利用合金的这一性质，可制成标准电阻。可制成标准电阻。可制成标准电阻。可制成标准电阻。n n半导体的电阻与温度的关系和金属导体不同。在半导体的电阻与温度的关系和金属导体不同。在半导体的电阻与温度的关系和金属导体不同。在半导体的电阻与温度的关系和金属导体不同。在通常温度下，半导体的电阻随温度的升高而减小，通常温度下，半导体的电阻随温度的升高而减小，通常温度下，半导体的电阻随温度的升高而减小，通常温度下，半导体的电阻随温度的升高而减小
12、，具有负的电阻温度系数。它的变化规律为具有负的电阻温度系数。它的变化规律为具有负的电阻温度系数。它的变化规律为具有负的电阻温度系数。它的变化规律为式中，式中，式中，式中，E E E E和和和和R R R R0 0 0 0是常量，是常量，是常量，是常量，k k k k为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，T T T T为绝对为绝对为绝对为绝对温度。利用半导体的这一性质制成的热敏电阻，温度。利用半导体的这一性质制成的热敏电阻，温度。利用半导体的这一性质制成的热敏电阻，温度。利用半导体的这一性质制成的热敏电阻，在灵敏测温和自动温控装置中得到广泛应用。在灵敏测温和自动温控装置
13、中得到广泛应用。在灵敏测温和自动温控装置中得到广泛应用。在灵敏测温和自动温控装置中得到广泛应用。10三、仪器介绍三、仪器介绍 1 1QJ24QJ24型直流单臂电桥型直流单臂电桥n nQJ24QJ24QJ24QJ24型箱式电桥采用惠斯通电桥线路，主要由比型箱式电桥采用惠斯通电桥线路，主要由比型箱式电桥采用惠斯通电桥线路，主要由比型箱式电桥采用惠斯通电桥线路，主要由比率臂、比较臂、检流计和电池组组成。全部部件率臂、比较臂、检流计和电池组组成。全部部件率臂、比较臂、检流计和电池组组成。全部部件率臂、比较臂、检流计和电池组组成。全部部件安装在箱内，箱盖铭牌上给出了电桥原理线路和安装在箱内，箱盖铭牌上给
14、出了电桥原理线路和安装在箱内，箱盖铭牌上给出了电桥原理线路和安装在箱内，箱盖铭牌上给出了电桥原理线路和有关参数，供使用者参考。有关参数，供使用者参考。有关参数，供使用者参考。有关参数，供使用者参考。 n n QJ24 QJ24 QJ24 QJ24型电桥测量范围是型电桥测量范围是型电桥测量范围是型电桥测量范围是2020202099990999909999099990欧姆，准确度等级为欧姆，准确度等级为欧姆，准确度等级为欧姆，准确度等级为0.10.10.10.1级，内接电源电压为级，内接电源电压为级，内接电源电压为级，内接电源电压为4.54.54.54.5伏，伏，伏，伏，外接电源为外接电源为外接电
15、源为外接电源为4.54.54.54.5伏。伏。伏。伏。11QJ24QJ24型电桥的面板图和测量原理图型电桥的面板图和测量原理图 测量时将待测电阻接在面板上的测量时将待测电阻接在面板上的X1X1和和X2X2之之间，将比较臂转盘各档数值置于用万用表粗测待间，将比较臂转盘各档数值置于用万用表粗测待测电阻值的位置，并据此选择合适的比率。测电阻值的位置，并据此选择合适的比率。选择选择比率的原则是能充分利用电桥的四个调节转盘，比率的原则是能充分利用电桥的四个调节转盘，保证测量读数有位有效数字。保证测量读数有位有效数字。 12 接通电源按钮接通电源按钮B0B0和检流计按钮和检流计按钮G1G1，调节比较，调节
16、比较臂转盘，直到检流计接近指零，再松开臂转盘，直到检流计接近指零，再松开G1 G1 按下按下G0G0，仔细调节转盘示值，使检流计准确指零，记下，仔细调节转盘示值，使检流计准确指零，记下比较臂各转盘阻值的数值比较臂各转盘阻值的数值R R0 0，则待测电阻，则待测电阻 RxRx比率值比率值RR0 0 检流计按钮检流计按钮G1G1支路上串接支路上串接了一个较大阻值的保护电阻了一个较大阻值的保护电阻RgRg，用于粗调电桥平衡，可避免，用于粗调电桥平衡，可避免检流计被过大电流冲击。检流计被过大电流冲击。 G0G0为细调按钮。为细调按钮。132 2多功能温度测控仪和恒温柱面加热器多功能温度测控仪和恒温柱面
17、加热器n n本实验用本实验用本实验用本实验用ZHQ-1ZHQ-1ZHQ-1ZHQ-1型恒温柱面加热器对待测量的三型恒温柱面加热器对待测量的三型恒温柱面加热器对待测量的三型恒温柱面加热器对待测量的三种样品（铜、合金、半导体）进行加温，并由种样品（铜、合金、半导体）进行加温，并由种样品（铜、合金、半导体）进行加温，并由种样品（铜、合金、半导体）进行加温，并由KWY-3KWY-3KWY-3KWY-3型多功能温度测控仪进行控温和测温。型多功能温度测控仪进行控温和测温。型多功能温度测控仪进行控温和测温。型多功能温度测控仪进行控温和测温。14 ZHQ-1 ZHQ-1型恒温柱面加热器型恒温柱面加热器n nZ
18、HQ-1ZHQ-1ZHQ-1ZHQ-1型恒温柱面加热器为铝制外壳，采用柱形结型恒温柱面加热器为铝制外壳，采用柱形结型恒温柱面加热器为铝制外壳，采用柱形结型恒温柱面加热器为铝制外壳，采用柱形结构。圆柱中心轴线位置放置棒状电热丝，电热丝构。圆柱中心轴线位置放置棒状电热丝，电热丝构。圆柱中心轴线位置放置棒状电热丝，电热丝构。圆柱中心轴线位置放置棒状电热丝，电热丝产生的热量均匀四周辐射，炉内温度以柱中心对产生的热量均匀四周辐射，炉内温度以柱中心对产生的热量均匀四周辐射，炉内温度以柱中心对产生的热量均匀四周辐射，炉内温度以柱中心对称分布。其特点是升温速度快，达到平衡温度的称分布。其特点是升温速度快，达到
19、平衡温度的称分布。其特点是升温速度快，达到平衡温度的称分布。其特点是升温速度快，达到平衡温度的时间短。时间短。时间短。时间短。n n 被加热体置于圆柱外侧被加热体置于圆柱外侧被加热体置于圆柱外侧被加热体置于圆柱外侧导热层，被加热体的温度导热层，被加热体的温度导热层，被加热体的温度导热层，被加热体的温度测量采用球体热敏电阻。测量采用球体热敏电阻。测量采用球体热敏电阻。测量采用球体热敏电阻。（请在（请在（请在（请在1010101080808080范围内范围内范围内范围内使用）使用）使用）使用）15KWY-3KWY-3型多功能温度测控仪型多功能温度测控仪n n开机后仪器自行显示开机后仪器自行显示开机
20、后仪器自行显示开机后仪器自行显示“ “控温测量控温测量控温测量控温测量” ”状态，用功能状态，用功能状态，用功能状态，用功能选择键选择仪器功能。每按一次功能选择键仪器选择键选择仪器功能。每按一次功能选择键仪器选择键选择仪器功能。每按一次功能选择键仪器选择键选择仪器功能。每按一次功能选择键仪器进入下一功能状态。进入下一功能状态。进入下一功能状态。进入下一功能状态。n n用温度设定键选择温度设定位，用用温度设定键选择温度设定位，用用温度设定键选择温度设定位，用用温度设定键选择温度设定位，用 键设定所需键设定所需键设定所需键设定所需温度，全部设定完以后按设定键确认。也可用温度，全部设定完以后按设定键
21、确认。也可用温度，全部设定完以后按设定键确认。也可用温度，全部设定完以后按设定键确认。也可用T0+5T0+5T0+5T0+5直接增加直接增加直接增加直接增加5555设定控制温度。设定控制温度。设定控制温度。设定控制温度。仪器右显示器小于仪器右显示器小于仪器右显示器小于仪器右显示器小于0.50.50.50.5时，时，时，时，温度设定才有效。温度设定才有效。温度设定才有效。温度设定才有效。加热时，温度测控仪与恒温加热时，温度测控仪与恒温加热时，温度测控仪与恒温加热时，温度测控仪与恒温柱面加热器的红色指示灯同时柱面加热器的红色指示灯同时柱面加热器的红色指示灯同时柱面加热器的红色指示灯同时闪亮。闪亮。
22、闪亮。闪亮。16四、实验内容四、实验内容n n 用用用用QJ24QJ24QJ24QJ24直流单臂电桥测出室温下铜、合金、半直流单臂电桥测出室温下铜、合金、半直流单臂电桥测出室温下铜、合金、半直流单臂电桥测出室温下铜、合金、半导体电阻的阻值。导体电阻的阻值。导体电阻的阻值。导体电阻的阻值。n n 将温度设定为室温下增加将温度设定为室温下增加将温度设定为室温下增加将温度设定为室温下增加5555，通电加热至温，通电加热至温，通电加热至温，通电加热至温度平衡。测出相应温度下的铜、合金和半导体的度平衡。测出相应温度下的铜、合金和半导体的度平衡。测出相应温度下的铜、合金和半导体的度平衡。测出相应温度下的铜
23、、合金和半导体的电阻值。当温度趋于稳定时，迅速将电桥调节平电阻值。当温度趋于稳定时，迅速将电桥调节平电阻值。当温度趋于稳定时，迅速将电桥调节平电阻值。当温度趋于稳定时，迅速将电桥调节平衡（如何调节？），记录电桥平衡时的温度衡（如何调节？），记录电桥平衡时的温度衡（如何调节？），记录电桥平衡时的温度衡（如何调节？），记录电桥平衡时的温度titititi和和和和温度为温度为温度为温度为titititi时电桥比较臂的读数。时电桥比较臂的读数。时电桥比较臂的读数。时电桥比较臂的读数。n n重复步骤重复步骤重复步骤重复步骤，使温度每升高大约，使温度每升高大约，使温度每升高大约，使温度每升高大约5555时
24、测一组数时测一组数时测一组数时测一组数据，共测据，共测据，共测据，共测6 6 6 6组数据。将所测数据填入数据记录表格组数据。将所测数据填入数据记录表格组数据。将所测数据填入数据记录表格组数据。将所测数据填入数据记录表格中（自拟数据记录的表格）。中（自拟数据记录的表格）。中（自拟数据记录的表格）。中（自拟数据记录的表格）。17n n注意：调节电桥平衡要迅速，电桥平衡时，应首先读取温度计的读数，再记录电桥转盘的示值，想一想为什么要这样做？ 18五、数据处理五、数据处理n n以以以以RtRtRtRt为纵坐标，为纵坐标，为纵坐标，为纵坐标，t t t t为横坐标，在坐标纸上描绘铜为横坐标，在坐标纸上
25、描绘铜为横坐标，在坐标纸上描绘铜为横坐标，在坐标纸上描绘铜电阻电阻电阻电阻R R R Rt t t t图线，求出直线在纵轴的截距和斜率图线，求出直线在纵轴的截距和斜率图线，求出直线在纵轴的截距和斜率图线，求出直线在纵轴的截距和斜率k k k k，于是铜电阻的温度系数于是铜电阻的温度系数于是铜电阻的温度系数于是铜电阻的温度系数 =k/Rt=k/Rt=k/Rt=k/Rt n n求出所测电阻的温度系数求出所测电阻的温度系数求出所测电阻的温度系数求出所测电阻的温度系数 ，并与公认值，并与公认值，并与公认值，并与公认值 进行进行进行进行比较。铜电阻的公认值比较。铜电阻的公认值比较。铜电阻的公认值比较。铜电阻的公认值 = 0.0043/= 0.0043/= 0.0043/= 0.0043/n n 2. 2. 2. 2.分别作合金和半导体材料的分别作合金和半导体材料的分别作合金和半导体材料的分别作合金和半导体材料的R-tR-tR-tR-t曲线，说明合曲线，说明合曲线，说明合曲线，说明合 金和半导体的温度特性。金和半导体的温度特性。金和半导体的温度特性。金和半导体的温度特性。1920
