非平衡直流电桥原理与应用.doc

非平衡直流电桥的原理和应用 (FQJ型非平衡直流电桥) [专 利 产 品]（专利号：ZL O2 2 28061.8） 实 验 讲 义 杭州精科仪器有限公司 非平衡直流电桥的原理和应用 直流电桥是一种精密的电阻测量仪器，具有重要的应用价值。按电桥的测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥。平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进行比较，通过调节电桥平衡，从而测得待测电阻值，如单臂直流电桥（惠斯登电桥）、双臂直流电桥（开尔文电桥）。它们只能用于测量具有相对稳定状态的物理量，而在实际工程中和科学实验中，很多物理量是连续变化的，只能采用非平衡电桥才能测量；非平衡电桥的基本原理是通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，再进行运算处理，从而得到引起电阻变化的其它物理量，如温度、压力、形变等。 【实验目的】 本实验采用FQJ型教学用非平衡直流电桥，该仪器集单臂、非平衡电桥于一体，通过本实验能掌握以下内容： 1、直流单臂电桥（惠斯登电桥）测量电阻的基本原理和操作方法； 2、非平衡直流电桥电压输出方法测量电阻的基本原理和操作方法； 3、根据不同待测电阻选择不同桥式和桥臂电阻的初步方法及非平衡电桥功率输出法测电阻； 4、单臂电桥采用“三端”法测量电阻的意义。 【实验原理】 FQJ型教学用非平衡直流电桥包括单臂直流电桥，非平衡直流电桥，下面对它们的工作原理分别进行介绍。 （一）、单臂电桥（惠斯登电桥） 单臂电桥是平衡电桥，其原理见图1，图2为FQJ型的单臂电桥部分的接线示意图。 图1中：、、、 构成一电桥，、两端供一恒定桥压 ，、之间有一检流计，当电桥平衡时，无电流流过，、两点为等电位，则： ， ， ， 于是有 如果R4为待测电阻RX，R3为标准比较电阻，，称其为比率（一般惠斯登电桥的有、、、、、、等。本电桥的比率可以任选）。根据待测电阻大小，选择K后，只要调节，使电桥平衡，检流计为，就可以根据（1）式得到待测电阻之值。 （1） （二）非平衡电桥 非平衡电桥原理如图3所示： 、 之间为一负载电阻 ，只要测量电桥输出 、 ，就可得到值，并求得输出功率。 1、电桥分类 （1）等臂电桥： （2）输出对称电桥（卧式电桥）： ， ，且 （3）电源对称电桥（立式电桥）： ， ，且。 2、电压电桥： 当负载电阻 ，即电桥输出处于开路状态时， ，仅有电压输出,并用表示，根据分压原理，半桥的电压降为 ，通过、两臂的电流为： （2） 则上之电压降为： （3） 同理上的电压降为： （4） 输出电压为与之差 （5） 当满足条件 时，电桥输出 ，即电桥处于平衡状态。 （5）式就称为电桥的平衡条件。为了测量的准确性，在测量的起始点，电桥必须调至平衡，称为预调平衡。这样可使输出只与某一臂电阻变化有关。若 、、固定，为待测电阻，则当 时，因电桥不平衡而产生的电压输出为： （6） 当电阻增量较小时，即满足 时，公式的分母中含项可略去，公式可得以简化,各种电桥的输出电压公式为： （1）等臂电桥： （7） （2）卧式电桥： （8） （3）立式电桥： （9） 注意：上式中的和其均为预调平衡后的电阻。十分清楚，当满足时,测量得到电压输出与成线性比例关系，通过上述公式运算得或 ，从而求得或 。 等臂电桥、卧式电桥输出电压比立式电桥高，因此灵敏度也高，但立式电桥测量范围大，可以通过选择、来扩大测量范围，、差距愈大，测量范围也愈大。 3、功率电桥： 当有负载电阻时，则电桥不仅有电压输出，也有电流输出 ，和。功率桥可以表示为图4（a）。应用有源端口网络戴文宁定律等效，功率桥可以简化为图4（b）所示电路。 为之间的开路电压，由（5）式表示，图4（b）中的是有源一端网络等值支路中的电阻，其值等于该网络端的输入电阻，参见图4（c） 由图4（b）可知，流经负载电流为 当时则有 ，即 这是功率桥的平