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线性非平衡电桥设计及应用.pdf

线性非平衡电桥设计及应用

jinly
2013-06-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《线性非平衡电桥设计及应用pdf》,可适用于高等教育领域

 第卷第期 年月实验室研究与探索RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORYVolNo May 线性非平衡电桥设计及应用陈国杰, 黄义清, 谢嘉宁, 周有平(佛山大学理学院,广东佛山)摘 要:分析了常用的恒压源非平衡电桥的缺点,提出了一种恒流源线性非平衡电桥。介绍了其设计方法及实验结果。电路简洁,教学效果好,实用性强。关键词:恒流源非平衡电桥线性物理实验中图分类号:O文献标识码:A文章编号:()DesignofLinearNonbalanceElectricBridgeandItsApplicationCHENGuojie, HUANGYiqing, XIEjianing, ZHOUyouping(SchoolofScience,FoshanUniv,Foshan,China)Abstract:Shortcomingsoftheordinarynonbalanceelectricbridgewithconstantvoltagesourcewereanalyzed,andalinearnonbalanceelectricbridgewithconstantcurrentsourcewaspresentedThedesignmethodandexperimentalresultsofthelinearnonbalanceelectricbridgewereintroducedTheelectricbridgehasadvantagesofsimplecircuit,goodteachingeffectandhighpracticalvalueKeywords:constantcurrentsourcenonbalanceelectricbridgelinearphysicsexperiment收稿日期:作者简介:陈国杰(),男,湖南人,副教授,硕士,主要从事物理电子应用研究Tel:()Email:chengjcom  非平衡电桥在实际工程和科学实验中应用较广,如测量温度、压力、形变等~,已成为高等学校物理实验的新增项目。但是实验教学一般采用恒压源非平衡电桥,测量电压与待测电阻为非线性关系,电路参数设计和实验数据处理不方便,因此工程技术和科学实验一般采用线性非平衡电桥。我们设计了一种恒流源线性非平衡电桥,电路简洁,线性好,实用性强,教学效果好。 恒压源非平衡电桥的不足图是实验教学中常用的恒压源非平衡电桥~,如果忽略电压表的分流,则电桥输出电压UO为:UO=UBCUDC=RxRRxUSRRRUS。显然Uo与待测电阻Rx是非线性关系,只有Rx变化率较小(如Pt电阻在小温度范围变化)时才近似为线性,这给电路参数的设计和实验数据的处理带来困难,需要线性化处理,因此工程技术和科学实验一般都采用线性非平衡电桥测量压力、温度等参数。图 恒压源非平衡电桥Fig Thenonbalanceelectricbridgewithconstantvoltagesource 恒流源非平衡电桥的工作原理将图的电阻R换成恒流源IS,便成了图所示的恒流源非平衡电桥,当待测电阻RX变化时电流IS保持恒定。  忽略电压表分流,则UDC=RRRUS。若R、R恒定,则UDC为常数。电桥输出电压Uo为:UO=UBD=(UBCUDC)=(ISRXUDC)()由()式可知,输出电压UO与待测电阻RX成线性关系,只要测出UO,很方便地求出RX。图 恒流源非平衡电桥Fig Thenonbalanceelectricbridgewithconstantcurrentsource  如果RX是温敏电阻,设温度t=t时,RX=RXOt=tΔt时,Rx=RXOΔRx。为了测量方便,在t时预调平衡,即调节R,使UO=,则由()式得:UDC=RRRUS=RXOIS()  在温度t时,输出电压为:UO=(IS(RXOΔRX)UDC)=ΔRXIS()  由()式求出RXO,由()式求出ΔRX,则温度t的电阻为:RX=RXOΔRX=RXOUOΠIS()  从()式看出,RX与输出电压UO成线性,其中UO包含正负号。 恒流源的设计要实现恒流源非平衡电桥,关键是设计恒流源。图是集成电路中常用的一种小电流恒流源,T、T、T是三只型号相同的PNP三极管,电源电压为UCC,输出电流为IS。由电子技术知识可知,IS≈Ie=UbeΠRS,Ube为三极管发射结电压,对于Si管,Ube=~V,因此只要电阻RS恒定,外接负载电阻在一定范围变化IS仍保持恒定。调节RS,可以改变IS大小。实验表明,在图所示电阻参数下,T、T、T选三极管,调节RS为kΩ时,IS=mA,外接负载电阻在~kΩ范围变化IS保持恒定。 电桥性能测试恒流源非平衡电桥的性能主要取决于恒流源的性能。为了测试图所示恒流源非平衡电桥性能,用电阻箱模拟待测电阻RX的变化(如模拟kΩMF型半导体热敏电阻随温度的变化),R、R为电阻箱,IS为图所示恒流源,电源US=V。参数设计如下:为了防止IS流过RX发热升温造成测量误差,调节RS,使恒流源IS=mA在RX=RX=kΩ时预调平衡,初选R=kΩ(R≈RXO),由()式求得R=kΩ,实取R=kΩ。实验时,用数字万用表测输出电压Uo,调节R=kΩ时,UO=(电桥平衡)然后按Ω步长减少RX(相当于温度升高,kΩMF热敏电阻阻值减少),测出对应的UO,实验曲线如图所示。图 恒流源Fig Theconstantcurrentsource图 恒流源实验曲线Fig Theexperimentalcurveforconstantcurrentsource 实验分析由图可见,RX与UO线性良好,其线性拟合表达式为:RX=UO(Ω)。与()式比较可得:RXO=Ω,IS=mA,与理论值(RXO=Ω,IS=mA)的误差小于,说明本实验的恒流源性能好,恒流源非平衡电桥线性好。对于kΩMF型半导体热敏电阻,当温度从°C变化到°C时,电阻将从kΩ变化到Ω,电阻变化率高达,是典型的负温度系数非线性电阻。其阻值Rt与绝对温度T的关系可表示为:Rt=ReBn(T),其中,R为°C时的阻值,Bn为材料常数。若用图所示的恒压源非平衡电桥测量kΩMF的阻值,则输出电压UO与电阻RX是非线性关系,先要根据UO求得电阻RX,然后再根据RX~T关系求得温度T,两个过程的数据处理都是非线性,既烦琐,又可能累积较大误差。在实验教学中采用图所示的恒流源非平衡电桥测量,UO与RX是线性关系,数据处理方便简单,电路工作原理简洁,教学效果 第期陈国杰,等:线性非平衡电桥设计及应用好,在温度计等仪表中有良好的实用价值。参考文献: 王永乐,张昌民用非平衡电桥测金属导体的电阻温度系数J大学物理实验,,(): 阮 亮,等用非平衡电桥法设计和组装电子数字温度计J物理实验,,(): 汪建军用非平衡电桥设计组装铂电阻数字温度计J浙江万里学院学报,,(): 尹向宝非平衡电桥在医学上的应用J齐齐哈尔医学院学报,,(): 丁慎训,张连芳物理实验教程(第二版)M北京:清华大学出版社, 是度芳,贺渝龙基础物理实验M武汉:湖北科学技术出版社, 戴 康仪表中电桥电路的线性化J仪表技术,,():  (上接第页)流及磁感应强度B,以至造成塞曼效应分裂谱线直径连续变化的影响。数码拍摄曝光期间不必象原采用的摄谱仪暗箱底片曝光那样,必须人工跟踪,保持电流值恒定,这排除了磁场B的不确定因素,简化了实验操作。()彩色图形变为灰色图形后,所见的对比度可能会明显下降。因该类实验选用汞灯中的绿光,实验测量可在计算机屏幕上或用彩色喷墨打印机仅仅打印直径方向上一窄条圆环带,以节省打印机的墨水。为提高黑白打印机输出的灰度图片对比度,可尝试在图形软件或Word、WPS文字等软件上调整图形的可观察性,提高灰度照片的对比度和清晰度。()实验拍摄观察取景,可通过LCD,锁定方位后再设置曝光参数、曝光。拍摄偏振光谱线等操作必须在锁定相机后进行,不然会因光强太弱,无法通过数码相机LCD动态显示谱线位置。()拍摄照片前应遮蔽快门曝光指示灯、LCD屏幕,防止数码相机本身对实验环境的干扰。()拍摄的照片存储以“标准”为宜,“经济”模式也可使用。如存储容量大还可以使用“优质”模式。 实验后处理与衔接实验后处理有关的数据测量等操作可参考文献,即采用计算机显示Π打印局部光谱图像,用宏观全局测量代替读数显微镜计量图片可经过裁剪再显示Π打印,对图像软件不熟悉的人员可直接将数码相机的照片用USB线调入计算机,插入熟悉的Word软件文档中,用Word图形工具局部裁剪、放大图片,并调整对比度、亮度。近期出品的我国“WPS文字”使用方法与Word类似,其操作和文件格式与Word基本上全兼容,并可自动将文档存为Word的“doc”,故也可作为一款较好的图形载体。本文灰度图片即经过此类调整所得。 结 论  采用数码相机拍摄弱光光谱,实验和修正速度快,只要掌握相关技术,可彻底解决实验室传统使用的胶片处理烦琐程序。它与参考文献的方法配合,有望解决光谱实验的数字化问题原需要个单位时间完成的实验可在个单位时间中全部实现。采用手动控制的百万以上像素的数码相机已能满足光学实验的要求,它投入少,见效快。符合此类要求的设备还有HPR(M像素)、R(M像素)、R(M像素),具有ISO,~Πs,曝光能力均倍于本文实验中使用的V数码相机柯达DX(M像素),具有手动~Πs快门、ISO,直接感光能力是V的倍,结合相对孔径后的综合曝光能力>V的倍,均有潜在应用价值。参考文献: 胡建人,高文斌,等一种底片扫描全视场读谱方法J实验室研究与探索,,():, 胡建人数码摄像装置与多媒体演示设备的匹配研究J实验室研究与探索,,(): 联想(北京)有限公司V数码相机使用手册Z: 胡建人,秦会斌光学方法抑制摄像机AGC变动幅度研究J仪器仪表学报,,(): 陶 携,俞 健,等上海台m望远镜新CCD照相机系统J中国科学院上海天文台年刊,: WPSOffice个人版OLΠOBhttp:∥wwwkingsoftcom: HPPhotosmart数码相机系列ZPΠN:KTRV,    实 验 室 研 究 与 探 索第卷 

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