非平衡电桥的热学应用和力学应用

非平衡电桥的热学应用和力学应用第一页，共十三页，编辑于2023年，星期五研究背景

我们在学习了非平衡电桥之后认识到非平衡电桥的重要作用，特别是由测量电阻而引发的一系列实验，如：利用非平衡电桥组装铂电阻温度计，利用非平衡电桥测量电阻应变片电阻的变化来测量压力等；我们就想到能否设计一个装置，配合不同的传感器和放大电路，完成被测物理参数的测量，如温度，质量等。基本思路如图所示：

非平衡电桥的热学应用和力学应用第二页，共十三页，编辑于2023年，星期五实验原理及方案

基本原理：非平衡电桥原理如图所示，A、B两端之间的电压为：非平衡电桥的热学应用和力学应用第三页，共十三页，编辑于2023年，星期五a、用铂电阻测温度

导体的电阻随温度的变化而变化，设0℃时的铂电阻为R0，温度为t℃时，电阻值近似有如下公式：

其中为电阻温度系数

【说明】铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准,铂热电阻的使用温度范围为-200-850℃。对于Pt100而言，R0=100Ω。非平衡电桥的热学应用和力学应用第四页，共十三页，编辑于2023年，星期五具体步骤，如图所示：①0℃下电桥平衡调，即把铂电阻置于盛冰水合物的保温瓶内，调节非平衡电桥的电位器使电桥平衡。②将电路接到放大器电路中，调节OP07放大器的零点使显示读数为0.0℃。③将传感器从保温瓶中取出来后，再置于室温下的水中，调节OP07的放大倍数，使显示读数与温度计的示数相等。【注】：所用温度计的规格是50℃，0.1分度的。非平衡电桥的热学应用和力学应用第五页，共十三页，编辑于2023年，星期五b、用电阻应变片测质量

被测物理量力、力矩或压力作用于弹性元件上使其发生变形，产生应变或位移，然后传递给与之连接的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。电量大小反映被测量的大小。如图所示，两个应变片粘贴在弹性体上，若使弹性体的m端受力弯曲产生位移x，则对于应变片a的拉伸有

对于应变片b的压缩有

当结构确定后，式中的γ为常量。

非平衡电桥的热学应用和力学应用第六页，共十三页，编辑于2023年，星期五

当弹性体端m从o点下移（受力弯曲）到x位置时，代入公式

整理可得非平衡电桥的热学应用和力学应用第七页，共十三页，编辑于2023年，星期五具体步骤：①调零。当不在弹性体上放砝码时，即m=0时调节非平衡电桥的电位器使UAB=0；然后调节运算放大器使数字显示为0。②校准。用10g的砝码放在弹性体上，调节OP07的放大倍数，使数显为10.0。③检查。用50g的砝码放在弹性体上，进行检查，观察读数是否为50.0g；若否，再进行调节OP07。非平衡电桥的热学应用和力学应用第八页，共十三页，编辑于2023年，星期五误差分析及补偿主要有下述两个方面：

1)电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：式中:Rt——温度为t时的电阻值；

R0——温度为t0时的电阻值；

α0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数；

Δt——温度变化值，Δt=t-t0。Rt=R0(1+α0Δt)

非平衡电桥的热学应用和力学应用第九页，共十三页，编辑于2023年，星期五当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：

ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。非平衡电桥的热学应用和力学应用第十页，共十三页，编辑于2023年，星期五误差的消除—电桥补偿法（如图所示）非平衡电桥的热学应用和力学应用第十一页，共十三页，编辑于2023年，星期五实验精度分析

测量温度时可以精确到0.1摄氏度，测量质量时可以精确到0.1克。应用前景展望

可以配合不同的传感器和放大电路完成被测物理参数的测量。例如，可以做成大量程数字温度计、可以作为各种电子