测温电桥的电路设计、安装与使用.docx

PAGE PAGE 312 实验三十二 测温电桥的电路设计、安装与使用 Experiment 32 Designing and assembling and operating temperature-measuring bridges 温度是国际单位制（ SI）中 7 个基本物理量之一，它与人类生存和社会发展有着十分密切的关系，在工农业生产、 科学研究、 医疗卫生和人们的日常生活中都离不开对温度的测量。 测温方法可分为接触测温法和非接触测温法。接触测温法就是测温敏感元件与被测物体直接接触的方法，水银温度计、电阻温度计、噪声温度计、石英频率温度计、热电偶等都是直接接触测温的仪 器；非接触测温法是测温敏感元件不与被 测物体直接接触的方法， 目视光学高温计、光电高温计、光谱高温计、比色温度计、 热像仪等都是非接触测温的仪器。 测温电桥的感温元件是热敏电阻，它把温度信号变成电信号，从而实现了非电  图 1 负温度系数热敏电阻的温度特性 量的电测法测量。值得提出的是，电量测量是现代测量技术中最简便的测量技术， 不但测量装置简单、造价低、灵敏度高，而且容易实现自动测量和自动控制，是测量技术中的一个重要发展趋势。 本实验要求实验者根据热敏电阻的温度特性来设计和安装一台指针式测温电桥。 实验原理 Experimental principle 负 温 度系 数热 敏电 阻的 温度 特性 (temperature characteristic of negative temperature coefficient thermal resistor) 热敏电阻按其温度特性可分为正温度系数型、负温度系数型及开关型三大 类。其中负温度系数热敏电阻是以锰、 钴、镍、铜和铝等金属氧化物为主要原料， 采用陶瓷工艺制成。这些金属氧化物都具有半导体性质，温度底时， 载流子数目小，因此阻值高；温度升高时，载流子数目急剧增加，因此阻值急剧下降，如图 1 所示，其方程表示为 B RT Ae T 式中 A,B 是与材料有关的常数。由（ 1）式看出，只要测出阻值  （ 1） RT 的变化就 能推测出温度 T 的变化。 非平衡电桥 (non-equilibrium electric bridge) 非平衡电桥电路如图 2 所示，当 R1 R2（对称 电桥）及 Rt R3 时，电桥平衡， G 指零，如果 Rt 的 阻值发生变化，则电桥的平衡条件被破坏， G 中就 有电流通过，指针发生偏转，偏转越大，说明 Rt 变 化也越大。 根据桥路的基尔霍夫方程，则有  图 2 非平衡电桥 I 1 R1 I g Rg I 2 R3 0 I 1 I g R2 I 2 I g Rt I g Rg 0 I 2 R3 I 2 I g Rt U cd R1 R2 解得 I g  R3 Rt  U cd  （2） 2 Rg R3 R3 Rt Rt Rg R1 R3 Rt 由式（2）看出，在 R1 (R2 ), R3 , Rg 及U cd 恒定条件下， I g 的大小唯一地由 Rt 值 来确定，因而有可能根据 G 偏转的大小来直接指示温度的高低。 测 温 电 桥 的 实 验 电 路 (experimental circuit of thermometric bridge) 如图 3 所示，测温电桥电路与图 2 相比有三点不同： 增加一个发光二极管 LED ，作为电源 指示。 检流计 G 换成微安表头。  图 3 热敏电阻温度计的实验电路图 最重要的改动是在 bd 支路中增加一个“校准”支路，当 K 2 扳至“校”时， 测温电桥处于“校准”状态，当 K 2 扳至“测”时，测温电桥处于“测量”状 态。 电路参数的设计与计算 (designing and calculation of circuit parameters) 图 3 电路中需要设计或计算的参数有四个，下面分别介绍： U cd 。不可过高，否则流过 Rt 的电流过大，会使 Rt 产生自热现象而造成对环 境温度的干扰； U cd 也不可过低， 否则微安表不能正常工作。 根据实验所用 Rt 的 额定工作电流及微安表的量程，建议取 1.3V。 R3 。R3 值的大小与测温电桥的下限温度 t1 ℃有关。当环境温度为 t1 ℃， Rt 值 为 Rt1 时，微安表应指零。对于对称电桥（ R1 R2 ）来说， R3 必须等于 Rt1 。 R1 R2 。如果测温电桥的上限温度为 t2 ℃，则有 ： Rt Rt 2 I g I gm （桥路中 G的满偏电流） （ 3） 将 R3 = Rt1 及（ 3）式带入（ 2）式得 I gm  2( Rg Rt1 (Rt1 Rt 1 Rt 2