基于惠斯通电桥的拓展系列实验
第１期濮阳职业技术学院学报
Ｖ０１．１９Ｎｏ．１
２００６年２月
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｕｙａｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ
Ｆｅｂ．２００６
基于惠斯通电桥的拓展系列实验
李聪，李辉，曹晴
（河南农业大学理学院，河南郑州４５０００２）
［摘要】本文介绍了在惠斯通电桥测电阻实验基础上设计的一系列拓展实验，包括应变式力传感器的应用，根
据应变效应原理的杨氏模量的电测法，用热敏电阻设计电子温度计、流量计和元素分析仪。
［关键词】惠斯通电桥；应变式力传感器；杨氏模量的电测法【中图分类号】ＴＭ９１３
【文献标识码】Ａ
【文章编号】１６７２—９１６１（２００６）０１—００１７—０２
１．引言
电桥是一种比较式电路，其结构简单，准确度与灵敏度
都比较高。惠斯通电桥是其中最基本的一种，可以测量电阻、电容、电感和频率、温度、压力等一些非电量，因而在近代工业、农业、医学及自动化控制等领域得到广泛应用。
在大学物理实验教学中，为了培养学生的实践和创造图１粘贴应变片的悬臂梁
毋・ｒ翻
图２应变片测量电路
能力，实验室可配备一些相关设备和元器件，在基本实验的为了精确地测量出应变片的微小电阻变化，同时提高基础上，开设一些和工农业生产紧密相关的综合性实验，进输出信号灵敏度，消除环境温度带来的误差，采用如图２所而拓展设计一些具有实用价值的新产品。针对惠斯通电桥，示的测量电路。可用毫伏表代替电桥上的灵敏电流计，将惠作者设计出一系列实验：１）应变式力传感器的应用综合性斯通电桥改装成非平衡电桥，电桥的四个臂为粘贴在试件实验；２）杨氏模量的电测法综合性实验；３）电子温度计设计上的同规格电阻应变片。电桥的输出电压为；
性实验；４）流量计设计性实验；５）元素分析仪设计性实验。
／
、
２．拓展系列实验
玑。以ｌ
２．１应变式力传感器的应用综合性实验
应变式力传感器的敏感元件是电阻应变片，它随试件变形而产生电阻变化△Ｒ。研究表明，在一定应变范围内，电
＝以（揣
Ｆ而＿再砑。Ｊ
Ｒ，
Ｒ
４
ＲＪ４－ＡＲ型４－Ｒ未ＡＲ一
１（３）
Ｊ、…
阻应变片的电阻相对变化率寻与应变８成正比，即：
ＡＲ
＝以竽
竽＝如
即可由输出电压得到电阻的变化△Ｒ，进而求得悬臂梁（１）
所受压力。
２．２杨氏模量的电测法综合性实验
式（１）中，Ｋ为比例常数，称为电阻应变片的灵敏系我们根据电阻应变式传感器的原理，将被测金属丝看
数。由（１）式可知，若能测量出应变片的电阻变化△Ｒ，即可Ａ，
做电阻应变丝，在轴向拉力Ｆ作用下产生微小形变８＝±！｝，
得出试件所受到的应变ｅ。
生变形，如图１所示。粘贴应变片处的应变为￡＝旦，则
可给学生提供粘贴应变片的悬臂梁，悬臂梁受压力产
同时由于应变效应电阻发生变化△Ｒ，且兰｝＝托。而金
属丝受到的应力ｏｒ＝二一＝￡Ｅ，即可得出杨氏模量Ｅ与金可知压力与应变片电阻变化之间的关系为：
…一
属丝电阻变化△尺之间的关系：
．
ＦＫＲ
Ｆ＝堂６ｘ＝掣６ｘ警
也２面鬲ＲＡ△
（４）Ｌ‘．，
凡Ｋ
（２）
、’
式（４）中，金属丝的灵敏系数Ｋ可事先由实验教师测量
【收稿日期］２００５—１１—２９
万
方数据一１７一
李聪，李辉，曹晴：基于惠斯通电桥的拓展系列实验
出，作为常数提供给学生。用光杠杆法测量出金属丝的应变，同时用惠斯通电桥测量金属丝的电阻变化率，从而得到灵敏系数。轴向拉力Ｆ和金属丝截面积Ａ可用传统方法解决。而金属丝电阻尺和电阻变化△Ｒ要用惠斯通电桥测量。可使用ＱＪ一２３型电桥，采用平衡电桥法测量。
若测量固体金属块的杨氏模量，可在金属块上粘贴应变片，应变片受到与金属块相同的应变，用电桥来测量电阻应变片的电阻变化，从而得到杨氏模量。
２．３电子温度计
本实验中我们提供了铂电阻和碳膜电阻两种材料作为感温元件供同学们选用，其电阻与温度在常温范围内近似有线性关系：
Ｒ，＝Ｒ
所以电流表随Ｑ变化，即随平均流量变化。可将电流表事先按平均流量标定，即可从电流表刻度得到介质流量的大小。
ｏ（１＋ｄ￡）（５）
图４流量计原理图
２．５元素分析仪
其中尺。、Ｒｏ分别是￡℃和０。Ｃ时的电阻值，ｄ是电阻温度系数，因此可以利用电阻随温度变化线性关系，较容易地制成电阻温度计。由图３可见桥上电压为：
元素分析仪主要由四个用相同材料制成的气室组成，气室内放置热电阻，按图２连接成电桥。工作时Ｒ，和Ｒ。为参考室，室内充入洁净空气，Ｒｚ和Ｒ，为分析室，充入待测的混合气体。由于不同的气体具有不同的导热率，引起热
玑＝以ｆ志。一熹：１
温度计刻度是非均匀的。
㈤
电阻阻值变化，电桥失去平衡。大量实验和理论研究表明，热电阻阻值与气体的导热系数在一定范围内成线性关系。而混合气体的导热系数入与气体成分含量有关，若混合气体含两种成分，导热系数分别为入－和入：，百分含量分别为Ｏｒ．和ｒＪ一仅），则混合气体的导热系数为：
因此，在电源电压Ｕ一定时，玑会随尺，变化，即随温度ｔ变化。由（６）式可知这种变化是非线性的，所以制成的
实验中合理选择电路参数，要求将毫伏表零刻度线对应＋０℃，满刻度对应＋１００ｃ１２，每间隔５。Ｃ标定一刻度，即可制成电子温度计。
入＝地坐掣（８）
２
…
通过测量热电阻阻值就可以求得气体的导热系数，也就间接求得混合气体的百分含量。
３．结束语
在大学物理实验教学实践中，可根据课程计划选做这些实验。或公布实验课题和基本要求，由学生自由选择，并
图３电子温度计原理图
２．４流量计
将电子温度计的原理图稍加改动，可设计成图４所示的热电阻式流量计电路。热敏电阻尺ｒ，置于探头上，放在被
通过指定参考资料和自己查找文献进行预习。上课时学生自主完成实验并撰写实验报告。这一系列实验具有较强的可操作性，教学内容新颖而又循序渐进，紧密结合实际而又不超出物理实验教学大纲的要求范围。可以使学生对力、温度、速度传感器的测量技术有一个初步的了解和掌握，激发学生的兴趣和创造意识，收到较好的教学效果。
测液体或气体流路中，Ｒ”置于不受介质流速影响的连通
室内。当介质不流动时，使电桥处于平衡状态，当介质流动时，探头热电阻Ｒｒ，被耗散热量，温度下降，导致电阻变化，电桥不平衡，电流表随耗散热量Ｑ变化。
热电阻的温度由ｔ，变为ｔ。时，耗散热量为：
［参考文献ｌ
［１］冯朝岭，潘建斌．大学物理实验［Ｍ】．成都：电子科技大
学出版社，２００４．
【２］何金田，张全法，徐甲强．传感器技术［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，２００４．
［３］吴永生，方可人．热工测量及仪表【Ｍ］．北京：中国电力
出版社，２００１．
Ｑ＝烈（ｔ，一ｔ。）
（７）
式中Ｋ为热传导系数，它是与介质密度、黏度、平均流速等参数有关的系数，当其他参数不变时，Ｋ仅与介质的平均流速有关。通过测量耗散热量Ｑ，可间接测量平均流速或流量。
一１８一万方数据
基于惠斯通电桥的拓展系列实验
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
李聪， 李辉， 曹晴
河南农业大学理学院,河南,郑州,450002
濮阳职业技术学院学报
JOURNAL OF PUYANG VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE2006,19(1)
参考文献(3条)
1. 冯朝岭;潘建斌 大学物理实验 20042. 何金田;张全法;徐甲强 传感器技术 20043. 吴永生;方可人 热工测量及仪表 2001
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引用本文格式：李聪. 李辉. 曹晴 基于惠斯通电桥的拓展系列实验[期刊论文]-濮阳职业技术学院学报 2006(1)