毕业论文 非平衡电桥

本科学生毕业论文（设计）

题 目 非平衡电桥特性的讨论

学 院 物理与电子信息学院

专 业 物理学

学生姓名 ***

学 号 0******

指导教师 ***

职称 副教授

论文字数

5667

完成日期

2011

年

*

月 ** 日

论文题目 学生姓名、学院：

中文摘要

非平衡电桥特性的讨论

*** ，物理与电子信息学院

通过做实验及分析，研究了非平衡电桥的的两个主要性能：零点灵敏度和 刻度的非均匀性

关键词（3～5个）： 非平衡电桥 ；零点灵敏度；刻度的非均匀性

英文题目

学生姓名（英文）：

英文摘要

The study on the characteristic of the

nonequilibrium bridge

**********

学 院（英文）： College of Physics and Electronic Information

We study the two main characteristics of the nonequilibrium bridge: zero point sensitivity and non- uniformity graduated scale by experiments.

英文关键词 nonequilibrium bridge; zero point sensitivity; non-uniformity graduated scale

安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见

评语主要内容包括：学生写作态度、科研作风，论文选题的理论意义和实践价值，论据是否充分、可靠，掌握基础理论、专门知识、研究方法和技能的水平，写作的逻辑性、技巧及其他优缺点。

安徽师范大学本科生毕业论文（设计）评定意见

目 录

摘要 …………………………………………………………………………………1 关键词 ………………………………………………………………………………1 Abstract ……………………………………………………………………………1 Key words …………………………………………………………………………1 引言……………………………………………………………………………1 1、非平衡电桥 … …………………………………………………………………2 1.1非平衡电桥的定义… ……………………………………………………… 2 1.2非平衡电桥的工作原理… ………………………………………………… 2 2、非平衡电桥输入输出特性研究 ……………………………………………… 2 2.1单臂输入时电桥的输出特性 …………………………………………… 2 2.1. 1研究原理 …………………………………………………2 2.1.2实验步骤……………………………………………………………3 2.1.3输入输出数据………………………………………………………3 2.1.4数据分析……………………………………………………………4 2.2双臂输入时电桥的输出特性………………………………………………4 2.2.1研究原理………………………………………………………………4 2.2.2实验步骤……………………………………………………………5 2.2.3输入输出数据………………………………………………………5 2.2.4数据分析………………………………………………………………5 2.3全桥输入时电桥的输出特性 ……………………………………………6 2.3.1研究原理 …………………………………………………………6 2.3.2实验步骤 …………………………………………………………6 2.3.3输入输出数据 ……………………………………………………6 2.3.4数据分析 ……………………………………………………………7 3、非平衡输入时电桥的输出特性的总结 ……………………………………7 结束语……………………………………………………………………………7 参考文献 …………………………………………………………………………8

非平衡电桥特性的讨论

***，物理与电子信息学院

摘 要：通过做实验及分析，研究了非平衡电桥的的两个主要性能：零点灵敏

度和刻度的非均匀性

关键词：非平衡电桥 ；零点灵敏度；刻度的非均匀性

The study on the characteristic of the nonequilibrium

bridge

Wang jinlong, College of Physics and Electronic Information

Abstract: We study the two main characteristics of the nonequilibrium bridge: zero

point sensitivity and non- uniformity graduated scale by experiments.

Key words: nonequilibrium bridge; zero point sensitivity; non-uniformity

graduated scale

引言：

电力的发现与研究是人类现代文明的重要标志之一，在这其中对于电路当中各元件的特性测量的方法也被人类不断地广泛地发掘着。非平衡电桥就是一种能够在电路中通过电表的示数的反应而得到其他在接仪器的特性的一种特别的测量电路。我们能够通过改变电路中特定电阻的大小，并通过观察计算在这一变化过程中电路在接电压表的变化数值，从而通过相应关系式得到在接仪器的相关特性。

本文是通过实验的方法来阐述与解答在电路中特定电阻阻值变化时，电表显示数据的特点与含义，主要介绍非平衡电桥零点灵敏度以及刻度不均匀性以及说明非平衡电桥使用的意义与今后的发展。

1、非平衡电桥

直流电桥测量准确，灵敏度高，具有重要的应用价值。按使用的方式可分为平衡电桥和非平衡电桥。

平衡电桥是通过平衡调节，把待测电阻与标准电阻进行比较直接得到待测电阻值。如惠斯顿电桥。然平衡电桥只能用于测量具有相对稳定状态的物理量。但实际工程上和科学实验中，物理量往往是连续变化的，这些量只能采用非平衡电桥才能测量。它直接测量电桥输出的电压与电流的变化，通过必要的运算处理最终得到电阻值。若在电桥后连接计算机，对电桥输出进行采样处理即可迅速得到

【1、2】

实验的数据与结果。

1.1非平衡电桥的定义

电桥是将电阻、电容、电感等电参数变化量变换成电压或电流值的一种电路。非平衡性电桥电路是通过设置电桥中相关元件，使其处于非平衡状态，从而达到

【3、4】

精确测量接入电路中元件特性的一种电路。

1.2非平衡电桥的工作原理

非平衡电桥的原理图见图1.1【5、6】 +0

-

图 1.1 非平衡电桥电路图

电路是由以下器材构成：电源、数字电压表、电阻箱（4个）、电键、导线若干。与惠斯通电桥相似，而两者的不同点在于，惠斯通电桥要通过建立平衡并通过电阻之间的关系来解决未知电阻大小的问题。而非平衡电桥是通过将平衡的电桥左右两端的部分电阻的阻值改变来确立电桥中电压与改变电阻的阻值大小之间的关系。如图1.1所示的电路可知电路的具体情况。

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R 3使I 0=0，从而得到R X =R2⋅R 3，非平衡电桥则是使R 1、R 2、R 3保持不变，R X 变化时则U 0变化。再根据U 0与R X 的函数关系，通过检测U 0的变化从而测得R X ，由于可以检测连续变化的U 0，所以可以检测连续变化的R X , 进而检测连续变化的非电量。

2、非平衡电桥输入输出特性研究

2.1单臂输入时电桥的输出特性 2.1.1研究原理

若设各桥臂的阻值为R 1=R2=R3=R x =RO , 把传感器输出的电阻变化量（△R ）接入桥臂R 1，即R 1=RO +△R ，由上式可知：输出电压U O 与电桥输入电阻变化量△R 的关系为：

U O =

-∆R ε

U S =-U S

4R O +2∆R 4+2ε （2.1）

ε=

（式中

S ∆R =

∆R

R 0定为传感器电阻的相对变化）定义电桥输出灵敏度为：

dU O U εS 1=S U O ≈-U S d (∆R ) ，则单臂输入时，电桥输出灵敏度为：4R O 。 4，

这时桥路的输出电压与电阻的相对变化才有近似线性关系。

2.1.2实验步骤

第一步、按照图一将线路接好，电键断开，R 1=R2=R3=R x =100Ω，U s =10V，电压表量程0~2V。

第二步、设置∆R =10Ω。

第三步、逐次增加∆R 并记录下不同情况下的U 0值的大小。 第四步、记录数据，进行分析总结。

2.1.3输入输出数据

根据表中的实验数据在坐标上作出非平衡电桥输出电压U 0与电阻变化ΔR 的关系曲线

ΔR-Uo图

U o

1.510.500

50

100

150

ΔR

图 2.1 单臂输入电桥电压与变化电阻关系曲线图

200

2.1.4数据分析

在单臂输入时电桥的关系曲线上另取两点：A 1(20, 0.286) 、 B1(100, 1.056) 单臂输入时电桥输出灵敏度【7】

∆U 0U -U 0A 1.056-0.2860.77

（2.2） S 1=k 1=tg α1==0B ==≈0.0096(V ) ∆∆R ∆R 1B -∆R 1A 100-2080

U 01的不确定度：

u U 0B 1=

∆m y

=

0. 0202=

0. 010(V )

u U 0A 1=

∆m y

=

0. 010(V )

∆U 01的不确定度：

u ∆U 01=u U 0B 1+u U 0A 1=

22

2

⨯0. 010≈0. 0082(V ) 3

(Ω)

u ∆R 1B 1=

∆m x

3=2. 53(Ω)

∆R 1的不确定度：

u ∆R 1A 1=

∆m x

=

523

=2. 53

∆∆R 1的不确定度：

u ∆∆R 1=u ∆R 1A 1+u ∆R 1B 1=

22

2

⨯2. 5≈2. 0(Ω) 3

S 1的相对不确定度：

E S 1==-

≈0.027 (2.3) S 1的不确定度：u =E *S =0.027⨯0.0096≈0.00026(V

S 1S 11S 1的结果正确表达式：S =S ±u =(9.6±0.26) ⨯10-3(V

11S 1

-

) (2.4)

) (2.5)

E S 1=0.027=2.7%

【8】

(2.6)

2.2双臂输入时的桥路输出特性 研究原理

在相邻的两臂中接差模输入，根据上式得

U S 2=S

2R O ，可见，双臂输入时电桥的输出灵敏度比单这时电桥输出灵敏度为：

臂输入时提高一倍。桥路的输出电压U o 与ε成线性关系变化。

U O =-

∆R ε

U S =-U S

2R O 2 (2.7)

图 2.2电桥特性研究原理图

2.2.1实验步骤

第一步、按照图三将线路接好，电键断开，R 1=R2=R 3=R 4=100Ω，U s =10V，电压表量程0~2V。

第二步、设置∆R =10Ω。

第三步、R 1逐次减小∆R 、R 2同时逐次增加∆R 并记录下不同情况下的U 0值的大小。

第四步、记录数据，进行分析总结。

2.2.2输入输出数据

表 2.1 双臂输入电桥输入输出数据

∆R (Ω)

0 10 0.306

20 0.620

30 40 50 60

0.938 1.264 1.564 1.964

根据表中的实验数据在坐标上作出非平衡电桥输出电压U 0与电阻变化ΔR 的关系曲线

U 0(V )

U o

2.5210.500

20

1.5

4060

△R

80

图 2.3 双臂输入电桥电压与变化电阻关系曲线图

2.2.3数据分析【7、8】

在双臂输入时电桥的关系曲线上另取两点：A 2(20, 0.620、B 2(50, 1.564)。同理可得双臂输入时电桥输出灵敏度

∆U 021.564-0.6200.944

S 2=k 2===≈0.0314(V ) (2.8)

∆∆R 250-2030

u ∆U 02=u U 0B 2+u U 0A 2=0. 0082V

2

2

E S 2==≈0.067 (2.9)

-

u

∆∆R 2=u ∆R 2A 2+u ∆R 2B 2=2. 0Ω

22

u S 2=E S 2*S 2=0.067⨯0.0314≈0.0021(V

-

) (2.10)

) (2.11) E S 2=0.067=6.7% (2.12)

S 2的结果正确表达式： S =S ±u =(3.14±0.21) ⨯10-2(V

22S 2

2.3全桥输入时的桥路输出特性 2.3.1研究原理

在相邻的两臂中接差模输入，而在相对的两臂中接共模输入。由上式得

∆R =-U S =-εU S

U O R O

(2.13)

U S

R O ，可见，全桥输入时，桥路输出灵敏度等于双这时桥路的输出灵敏度：

臂输入时的2倍，等于单臂输入时的4倍。桥路的输出电压U o 与ε成线性关系变化。

S 4=

2.3.2实验步骤

第一步、按照图三将线路接好，电键断开，R 1=R2=R 3=R 4=100Ω，U s =10V，

6

电压表量程0~2V。

第二步、设置∆R =10Ω。

第三步、R 1、R 3逐次减小∆R ，R 2、R 4同时逐次增加∆R 并记录下不同情况下的U 0值的大小。

第四步、记录数据，进行分析总结。

2.3.3输入输出数据

表 2.3全臂输入电桥输入输出数据

∆R (Ω)

0 0

5 0.330

10 0.620

15 20 25 30

0.956 1.270 1.572 1.970

根据表中的实验数据在坐标上作出非平衡电桥输出电压U 0与电阻变化ΔR 的关系曲线

U 0(V )

△R-Uo

2.521.510.50

10

20△R

图 2.4 全臂输入电桥电压与变化电阻关系曲线图

U o

3040

2.3.4数据分析【7、8】

在全臂输入时电桥的关系曲线上另取两点：A 3(5, 0.330)、B 3(25, 1.572)。同理可得

全臂输入时电桥输出灵敏度

∆U 031.572-0.3301.242

S 3=k 3===≈0.0621(V ) (2.14)

25-520∆∆R

3

u ∆

U 03=0. 0082V u ∆∆R 3=2.

0Ω E S 3==0.0011 (2.15) 7

u S 3=E S 3*S 3=0.1056⨯0.0121≈0.0022(V ) (2.16)

-

-2V S 3的结果正确表达式： S =S

33±u S 3=(1.21±0.22) ⨯10() (2.17)

E S 2=0.11=11%

综合三表各自作出在同一坐标中的非平衡电桥输出电压U 0与电阻变化ΔR 的三条关系曲线。

-

2.5

ΔR1\ΔR2\ΔR3-Uo

U o

2

1.510.500

50

100

150ΔR 200

图2.5非平衡电桥输出电压U 0与三种电阻变化ΔR 的不同的关系曲线图

3、非平衡输入时电桥的输出特性的总结【9】

实验中的三种不同输入模式的桥路其灵敏度随着变化桥路的增多而增大。 通过 图2.5 可以清楚的看到：在单臂，双臂，全臂电桥中，∆R -U 曲线的线性度越来越高，灵敏度越来越好。刻度的非均匀性也能够得到表现。

结束语

通过本文的研究与讨论可以知道，非平衡电桥是一个具有高灵敏度的电桥式测量电路，通过改变电路中电阻可以得出与之相应变化的电压值，并通过这一特点将利用电压表显示的数据得到电路中需要测量量值的大小。非平衡电桥往往和一些传感元件配合使用，某些传感元件易受到外界环境（如压力、温度、光强等）变化引起其电阻的变化，通过非平衡电桥可将阻值转化为电流输出，从而达到观察、测量和控制环境变化的目的。类似的传感元件有：热敏电阻，Pt 电阻，光

【10】

敏电阻等，它们的阻值会随着光强或者温度的变化而变化。

例如应用非平衡电桥可以测量电机或变压器内部温度的电阻温度计，这是一个非平衡电桥应用的典型例子。如下图所示，图4.1中所展示的就是如今被广泛利用在现实社会中的，用来测量电器设备升温的电阻温度计电路。

8

图 4.1用来测量电器设备温升的电阻温度计电路【2】

利用非平衡电桥的原理和特性，设计和组装一些传感元件在接的电路能够很好的测得如温度（热敏电阻，如图4.1）、光强（光敏电阻）等物理量的大小，并将之转变成电表示数加以表达，将使非平衡电桥能够在更多的实际生活中被运用，给我们的生活各方面也带来了数字化。

参考文献：

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[3] 李庆春, 刘俊刁, 何婉芬, 张莉. 非平衡电桥特性的研究[J]. 惠州学院学报(自然科学版) 2008(06)

[4] 张功铭，赵复真. 电桥特性和定义的探讨[J] 中国计量, China Metrology, 2008年 02期69-71

[5] 线性非平衡电桥设计及应用[J].实验室研究与探索，2006年5月，第25卷第5期588-590 [6] 潘士先. 电路分析[J]，北京航空航天大学出版社，1989年6月

[7] 陈绍荣，刘郁林. 关于非平衡电桥电路的计算问题[J] .重庆通信学院学报，1994第1期

[8] 陈泽章，陈廷侠. 惠斯通电桥灵敏度分析[J].新乡学院学报，2008年12月，第25卷第4期24-26

[9]倪新蕾. 非平衡电桥的输出特性研究[J].大学物理，2009年3月，第28卷第3期

[10]徐建元，葛晓辉. 非平衡电桥的研究与应用[J].青岛大学学报，2001年7月，第14卷第2期

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安徽师范大学本科生毕业论文（设计）开题报告书

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