河南省第二届物理实验竞赛校内选拔赛预赛选题

河南省第二届物理实验竞赛校内选拔赛预赛选题实验内容：用热敏电阻作为传感器结合非平衡电桥设计测量范围为30.0~80.0℃要求：设计方案包括实验原理、实验电路图、具体实验步骤以及实验中存在的可能性误差分析。实验仪器参考：DHQJ-1型非平衡电桥、DHW-2型温度传感实验装置（含2.7KΩ热敏电阻）仪器说明见QQ群文件：非平衡电桥（一）实验讲义及思考题。（也可以自己设计选用其它仪器）按照要求，完成物理实验竞赛预赛设计方案。注意：下面内容需要双面打印，也可以来2号实验楼233办公室领取。河南省第二届物理实验竞赛校内选拔赛预赛设计方案设计题目：学院：班级：姓名：学号：填表注意事项实验题目自拟，突出实验的目的和本质，不应超过16个汉字。方法原理。主要阐述实验设计思想，利用掌握的知识，查阅资料，写好实验实际中所应用到的原理。所需仪器。详细列出完成实验所需要的合适的仪器。测试步骤。根据实验原理和仪器，设计实验测量的过程，逐条写出，并绘制实验数据表格。创新点。写出实验设计中具有创新理念的内容。题目：方法原理所需仪器测试步骤创新点

附：非平衡电桥的应用（一）——测金属电阻的温度特性【实验目的】1、掌握非平衡电桥的工作原理以及与平衡电桥的异同。2、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。3、用直流非平衡电桥测量铜电阻温度特性。【实验仪器】1、DHQJ-1型非平衡电桥、导线若干2、DHW温度传感实验装置（铜电阻、热敏电阻）。仪器结构及说明DHQJ-1型非平衡电桥仪器面板见图1-1图1-1图1-1DHW温度传感器实验装置仪器面板见图1-2图1-21、测量值：显示器(绿)2、设定值：显示器(红)3、加数键()：在参数设定状态下，作加数键。4、减数键()：5、设定键(S)：设定值：按设定键(S)，SV显示器一位数码管闪烁，则该位进入修改状态，再按S键，闪烁位向左移一位，不按设定键(S)8秒(即数码管闪烁8秒)自动停止闪烁并返回至正常显示设定值。5-3、设定键(S)+加数键()：组合键设定PID参数。5-4、设定键(S)+减数键()：组合键设定PID参数。10、加热电流输出插座。11、风扇电压输出插座。12、加热炉信号输入插座。13、加热电流调节电位器。14、加热电流输出控制开关。15、加热电流显示屏。DHW温度传感器实验加热装置结构图见1-3图1-31、风扇开关2、风扇电压输入插座3、底座4、风扇5、隔离圆筒6、测温传感器7、测试圆铜块8、加热器9、被测传感器10、隔离块11、加热电流输入插座12、信号输出插座13、隔热层仪器的电源、数字表、桥臂电阻R1、R2、R3以及RP电阻之间各自是相互独立的，按照电桥上的各自插座孔，通过连线组成桥路。电桥的B按钮，内部已经与电源连接，用于接通桥路电源；电桥的G按钮，内部已经与数字电压表连接，用于接通数字电压表的通断。RP电位器用于功率电桥时作为负载使用，调节范围0～10KΩ，与其串联有100Ω电阻。功率电桥实验时，只要将电压表接到该电阻上，即“IP测量端”便可测得电桥的输出电流；接到“UP测量端”便可测得电桥的输出电压。【实验原理】直流非平衡电桥直流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)。平衡电桥需要工作在平衡态下,可以准确测量未知电阻(如单臂电桥)，测量精度很高,但平衡的调节要求严格,需要耗费一定的时间,非平衡电桥工作在非平衡态下,可测量任一桥臂上的物理量变化,实际生产技术中,往往有些待测量准确度要求不是很高,但需要连续快捷的测量。如:铁路桥梁的应力检测,产品质量检测及待测量的变化量等,尤其是传感器技术越来越广泛应用于各种非电学量测量、智能检测和自动控制系统中,在这种情况下,直流非平衡电桥就显示出了优势,这时电桥中某一个或几个桥臂,往往是具有一定功能的传感元件这些元件的电阻值随待测物理量(如温度,压力)的变化相应改变,电桥处于非平衡状态，利用非平衡电桥可以很快连续测量这些传感元件电阻的变化,获得这些物理量变化的信息，因此，随各类传感器日新月异的发展,非平衡电桥的应用日益广泛。非平衡电桥的原理图见图2。图2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。平衡电桥是调节R3使I0=0，从而得到，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=R2RX0=R3但R1≠R3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=KR3，R2=KRX0，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2所示的桥路可等效为图3（a）所示的二端口网络。图3（a）图3（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：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：根据图2（a）电路，得到电桥接有负载RL时输出电压：（1）电压输出的情况下RL→∞，所以有（2）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，因为RX0为其初始值，此时电桥平衡，有，所以（3）当RL=∞时，因为，所以，代入上式有（4）特殊地，对于等臂电桥和卧式电桥，（4）式简化为（5）立式电桥和比例电桥的输出与(4)式相同。被测电阻的变化量ΔR<<RX0时，(4)式可简化为（6）(5)式可进一步简化为(7)这时U0与△R成线性关系(三)用非平衡电桥测量电阻的方法习惯上，人们称RL=∞的非平衡应用的电桥叫非平衡电桥；称具有负载RL的非平衡应用的电桥叫功率电桥。下述的“非平衡电桥”都是指RL=∞的非平衡应用的电桥。1、将被测电阻（传感器）接入非平衡电桥，并进行初始平衡，这时电桥输出为0。改变被测的非电量，则被测电阻发生变化，这时电桥输出电压，开始作相应变化。测出这个电压后，可根据(4)式或(5)式计算得到ΔR。对于ΔR<<RX0的情况下可按(6)式或(7)式计算得到ΔR值。2、根据测量结果求得Rx=RX0+△R，并可作U0—△R曲线，曲线的斜率就是电桥的测量灵敏度。根据所得曲线，可由U0的值得到△R的值，也就是可根据电桥的输出U0来测得被测电阻Rx值。【实验步骤及数据处理】用非平衡电桥测量铜电阻1、预调电桥平衡起始温度可以选室温或测量范围内的其他温度。选等臂电桥或卧式电桥做一组U0、ΔR数据。将DHW型温度传感实验装置的“铜电阻”端接到非平衡电桥输入端。调节合适的桥臂电阻，使U0=0，测出RX0=Ω，并记下初始温度t0=℃。2、调节控温仪，使铜电阻升温，根据数字温控表的显示温度，读取相应的电桥输出U0。ΔR的值根据公式（5）可求得：。每隔一定温度测量一次，记录于表1。表1U0（mV）ΔR铜电阻RX3、根据测量结果在坐标纸上作RX―t曲线,由逐差法求斜率，由此求出铜电阻温度系数，