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詳解用非平衡電橋如何測(cè)量電阻
發(fā)布時(shí)間:2018-04-04 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】電橋按測(cè)量方式可分為平衡電橋和非平衡電橋。雖然它們都可以準(zhǔn)確地測(cè)量電阻,但平衡電橋只能用于測(cè)量相對(duì)穩(wěn)定的電阻值,而非平衡電橋能用于測(cè)量連續(xù)變化的電阻值。
1、平衡電橋
惠斯登電橋(平衡電橋)的原理如圖1所示,調(diào)節(jié)R3使檢流計(jì)G無(wú)電流流過(guò)時(shí),C、D兩點(diǎn)等電位,電橋平衡,從而得到
2、 非平衡電橋
非平衡電橋也稱不平衡電橋或微差電橋。圖2為非平衡電橋的原理圖,B、D之間為一負(fù)載電阻Rg。用非平衡電橋測(cè)量電阻時(shí),是使R1、R2和R3保持不變,Rx(即R4)變化時(shí)則U0變化。再根據(jù)U0與Rx的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)檢測(cè)U0的變化從而測(cè)得Rx。由于可以檢測(cè)連續(xù)變化的U0,所以可以檢測(cè)連續(xù)變化的Rx。
(1)非平衡電橋的橋路形式
1)等臂電橋
電橋的四個(gè)橋臂阻值相等,即R1=R2=R3=R4。
2)輸出對(duì)稱電橋,也稱臥式電橋
這時(shí)電橋的橋臂電阻對(duì)稱于輸出端,即R1=R3=R ,R2=R4=R′。且R≠R′。
3)電源對(duì)稱電橋,也稱為立式電橋
這時(shí)從電橋的電源端看橋臂電阻對(duì)稱,即R1=R2=R′,R3=R4=R,且R≠R′。
4)比例電橋
這時(shí)橋臂電阻成一定的比例關(guān)系,即R1=KR2,R3=K R4或R1=K R3,R2=K R4,K為比例系數(shù)。實(shí)際上這是一般形式的非平衡電橋。
(2)Rg相對(duì)橋臂電阻很大時(shí)的非平衡電橋(電壓輸出形式)
當(dāng)負(fù)載電阻Rg→∞,即電橋輸出處于開路狀態(tài)時(shí),Ig=0,僅有輸出電壓,用U0表示。ABC半橋的電壓降為Us(即電源電壓),根據(jù)分壓原理,通過(guò)R1、R3兩臂的電流為
當(dāng)滿足條件R2R3 = R1R4時(shí),電橋輸出U0=0,即電橋處于平衡狀態(tài)。為了測(cè)量的準(zhǔn)確性,在測(cè)量的起始點(diǎn),電橋必須調(diào)至平衡,稱為預(yù)調(diào)平衡。預(yù)調(diào)平衡可使輸出只與某一臂的電阻變化有關(guān)。若R1、R2和R3固定,R4為待測(cè)電阻,當(dāng)R4因外界條件變化(如溫度t)而變?yōu)镽4+△R時(shí),此時(shí)因電橋不再平衡而產(chǎn)生的輸出電壓為
注意:上面(7)~(9)式中的R和其R′ 均為預(yù)調(diào)平衡后的電阻。此外,當(dāng)電阻增量△R較小時(shí),即滿足△R《《R時(shí),上面(7)~(9)三式的分母中含△R項(xiàng)可略去,公式可得以簡(jiǎn)化,這里從略。
一般來(lái)說(shuō),等臂電橋和輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓比電源對(duì)稱電橋高,因此靈敏度也高,但電源對(duì)稱電橋的測(cè)量范圍大,可以通過(guò)選擇R和R′ 來(lái)擴(kuò)大測(cè)量范圍,R和R′ 差距愈大,測(cè)量范圍也愈大。
在用非平衡電橋測(cè)電阻時(shí),需將被測(cè)電阻Rx作為橋臂R4接入非平衡電橋,并進(jìn)行預(yù)調(diào)平衡,這時(shí)電橋輸出電壓為0。改變外界條件(如溫度t),則被測(cè)電阻發(fā)生變化,這時(shí)電橋輸出電壓U0≠0,開始作相應(yīng)變化。測(cè)出這個(gè)電壓U0后,可根據(jù)(7)~(9)式計(jì)算得到△R,從而求得Rx=R4+△R。
(3)Rg相對(duì)橋臂電阻可比擬時(shí)的非平衡電橋(功率輸出形式)當(dāng)負(fù)載電阻Rg與橋臂電阻可比擬時(shí),則電橋不僅有輸出電壓Ug,也有輸出電流Ig,也就是說(shuō)有輸出功率,此種電橋也稱為功率橋。功率橋可以表示為圖3(a)。
應(yīng)用有源端口網(wǎng)絡(luò)定理,功率橋可以簡(jiǎn)化為圖3(b)所示電路。UBD為BD之間的開路電壓,由(5)式表示,R″ 是有源一端網(wǎng)絡(luò)等值支路中的電阻,其值等于該網(wǎng)絡(luò)入端電阻Rr,參見圖3(c),即
3、半導(dǎo)體熱敏電阻(2.7kΩ MF51型)
2.7kΩ MF51型半導(dǎo)體熱敏電阻,是由一些過(guò)渡金屬氧化物(主要用Mn、Co、Ni和Fe等氧化物)在一定的燒結(jié)條件下形成的半導(dǎo)體金屬氧化物作為基本材料制成,具有P型半導(dǎo)體的特性。對(duì)于一般半導(dǎo)體材料,電阻率隨溫度變化主要依賴于載流子濃度,而遷移率隨溫度的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)可以忽略。但上述過(guò)渡金屬氧化物則有所不同,在室溫范圍內(nèi)基本上已全部電離,即載流子濃度基本上與溫度無(wú)關(guān),此時(shí)主要考慮遷移率與溫度的關(guān)系。隨著溫度升高,遷移率增加,電阻率下降,故這類金屬氧化物半導(dǎo)體是一種具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻元件,其電阻—溫度特性見表1。
根據(jù)理論分析,半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻—溫度特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式通常可表示為
其中R25和Rt分別為25℃和t℃時(shí)熱敏電阻的阻值,T = 273 + t;Bn為材料常數(shù),其值因制作時(shí)不同的處理方法而異,對(duì)確定的熱敏電阻,可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電阻—溫度曲線求得。我們也可以把(19)式寫成比較簡(jiǎn)單的表達(dá)式
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