楊鯤

摘 要：伴隨著非平衡電橋在科學(xué)實驗以及實際的工程當(dāng)中廣泛地應(yīng)用，例如：形變、壓力、溫度等，構(gòu)成了大專院校中進(jìn)行物理實現(xiàn)的新型實驗項目。本文主要探究了在使用非平衡電橋的過程中，電流根據(jù)電阻的變化，而產(chǎn)生的非線性函數(shù)關(guān)系以及相應(yīng)的特征，同時提出了怎樣利用電阻進(jìn)行測量的方式。

關(guān)鍵詞：非平衡電橋 非線性特征 電阻測量

中圖分類號：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-2117（2014）04-0067-02

測量技術(shù)和自動控制應(yīng)用在日常生活的范圍面較廣，非平衡電橋則是測量技術(shù)以及自動控制方面的具體措施。在科學(xué)實驗以及實際的工程中，較多的場合都會對連續(xù)不斷的物理量進(jìn)行測量。雖然許多學(xué)者都在非平衡電橋方面做出了較多的理論驗證，可是通過實驗進(jìn)行驗證的數(shù)量較少。當(dāng)下，研究人員逐漸地通過非線性特征進(jìn)行了非平衡電橋的研究。

1 非平衡電橋的工作原理

在對四個電阻調(diào)節(jié)的過程中，會將相對兩點的電勢相等，此時電橋能夠保持平衡的狀態(tài)，基于此會得出公式K=■=■。根據(jù)公式能夠得出，若其中所涉及到的任何一個橋臂電阻是傳感元件，例如：R1所具備的阻值會根據(jù)待測物理量的更改而相應(yīng)變化，像是壓力或者溫度等變化方面，電橋處在非平衡狀態(tài)的時候，相對兩點中的電勢差不能夠為零，電勢差利用U對其表示，U大或者U小都會直接影響電阻的實際變化狀況，對U進(jìn)行實際的檢測，就能夠了解到待測物理量的變化程度。[1]若對電源的內(nèi)阻相應(yīng)忽略，此時非平衡電橋中的開路電壓則是：

U=UDB=UDC-UBC=■ε

={■-■}ε （1）

如果所應(yīng)用的數(shù)字電壓表是高內(nèi)阻的，就需要和電橋輸出端連接，此時的輸出電壓為：

Ug≈U=■ε （2）

測量之前的準(zhǔn)備階段中，需要系統(tǒng)地調(diào)制電橋，直到將其調(diào)為平整狀態(tài)為基準(zhǔn)，在這樣的情況下，Rxo=R4，若電橋失去了平衡的狀態(tài)，電阻就更改成為Rx=R4+△R4，這時，讓δ=■，就會生成以下公式：

Ug=■δ

=■δ （3）

在式（3）中能夠分析出，橋臂電阻和不平衡電壓的變化量是不能夠形成線性的關(guān)系的。僅僅在δ≤（1+K）的時候，δ和Ug=Uo才能夠展現(xiàn)出近似度極高的線性關(guān)系。

2 提出問題

在大專院校物理實驗科目當(dāng)中，非平衡電橋的實驗是較為重要的實驗部分，能夠?qū)Σ粩喔牡奈锢砹窟M(jìn)行間接的測量，例如：壓力或者溫度方面。此方面的測量過程，基本上就是將其轉(zhuǎn)變成為電阻方面的系統(tǒng)測量，可是卻缺乏對待測電阻和表頭電流之間的函數(shù)說明，其中待測電阻一般用Rx表示，表頭電流一般用Ig表示。以下針對Ig和Rx之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的分析。[2]

若Rx和Ig以線性的對應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)，就會在Rx每次增長10Ω的時候，Ig也對應(yīng)的有20μA的增加量，可是在正式測量的結(jié)果上顯示，和該規(guī)律有著不相符的結(jié)果。基本上在實驗當(dāng)中所應(yīng)用的測量方式，一般都會將待測電阻Rx和電流Ig在極小的范疇中，指出是線性的關(guān)系，又或者指出是近似線性的關(guān)系?？墒峭ㄟ^實踐的測量結(jié)果證實，待測電阻Rx和電流Ig不具備線性關(guān)系的要素，同時擁有越大的Rx，就會產(chǎn)生相應(yīng)程度的誤差。所以，對于范圍面較大的變化電阻進(jìn)行測量的過程中，需要細(xì)致的分析出待測電阻Rx和電流Ig兩者的關(guān)系，是否滿足非線性。[3]

當(dāng)實驗非平衡電橋測電阻溫度的系數(shù)中，曾有某學(xué)者通過線性定標(biāo)的方式開展電阻溫度系統(tǒng)的測量，可是，對電阻測量的更改領(lǐng)域面上只是在20Ω之內(nèi)。在電阻的測量范疇在較大的測量領(lǐng)域情況下，就極易會產(chǎn)生極大程度的誤差。具體的實驗流程為：首先，將等待測量的電阻，也就是Rx轉(zhuǎn)換成為電阻箱，基本上對電阻的取值范圍會在54.5Ω范圍內(nèi)，54.5Ω這一取值是在實驗室當(dāng)中所給予的20℃銅電阻取值范圍，對Rs有效的調(diào)節(jié)能夠讓電橋保證平衡的狀態(tài)；然后，要使△Rx+Rx=64.5Ω，其中所涉及到的△Rx=10Ω。對電源電壓進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能夠讓檢流計正確的進(jìn)行20格的偏轉(zhuǎn)，其每一格以0.5Ω為準(zhǔn)，以此來完成線性的定標(biāo)；最后，對電阻繼續(xù)無限的增大，要力求讓10Ω每次都增加在Rx中，在結(jié)論處以Ig的記錄為準(zhǔn)。[4]

3 分析問題

Rx和Ig之間的關(guān)系能夠通過基爾霍夫定律推導(dǎo)出來?；鶢柣舴蚨蔀镵irchhoff laws，是在電路當(dāng)中所涉及到的電流和電壓有所遵從的相應(yīng)規(guī)律，對于繁瑣電路是計算和分析的基礎(chǔ)，由于是德國基爾霍夫提出的定律，所以稱之為基爾霍夫定律。它一方面能夠分析直流的電路，另一方面還能夠分析交流電路。此外，還能夠分析非線性的電路。通過基爾霍夫定律開展的電路方面的分析過程中，只是和電路的連接過程有關(guān)聯(lián)，和電路的元器件構(gòu)成方面不發(fā)生關(guān)系。在基爾霍夫定律方面包含著電壓定律以及電流定律，電壓定律用KVL來表示，電流定律用KCL來表示，電壓定律具體會應(yīng)用在電路的回路當(dāng)中，電流定律具體應(yīng)用在電力的節(jié)點當(dāng)中。[5]

在分析中所包含的I5也就是表頭中流過的Ig，以此來求出橋臂四個電阻和Ig之間的關(guān)系，所體現(xiàn)出的公式為：Ig=I5=（-R1Rg+R2Rx）/（R2RsRx+R1RsRx+rRsRx+R2RgRx+R1RgRx+rRgRx+R1R2Rx+rR2Rx+R2RgRs+R1RgRs+rRgRs+R1R2Rs+rR1Rs+rR2Rg+rR1Rg+rR1R2）

公式的測量數(shù)據(jù)會合理地凸顯出，主要是利用待測電阻Rx以及表頭電流Ig之間的非線性聯(lián)系。測量數(shù)據(jù)和理論曲線無法較為優(yōu)質(zhì)的吻合，其具體的原因就是因為受到接觸電阻和導(dǎo)線電阻的影響，也就是主要的影響因素為附加電阻。

4 解決問題

對電阻的測量通過非平衡電橋開展時，有必要搜尋出和相應(yīng)的測量值基本符合的優(yōu)質(zhì)參考曲線。因為在一定程度上存在著附加的電阻，若把理論曲線直接設(shè)定為參考的曲線，會存在較大的誤差值。因此，需要利用多點定標(biāo)的方式將糾偏完善解決。[6]主要的步驟需要將待測電阻中的阻值進(jìn)行預(yù)測，具體要針對變化的區(qū)間值，例如：54.5Ω～100Ω之間。在54.5Ω和100Ω的區(qū)間范圍內(nèi)，需要合理地選擇較多的測量點，對這一系列的測量點開展必要的定標(biāo)，例如：測量時需滿足每格10Ω對其開展，將測量點在坐標(biāo)紙上詳細(xì)的標(biāo)出，同時要用光滑的曲線或者折線對不同點位進(jìn)行適當(dāng)連接，以此來獲取和測量值有著較高適應(yīng)性的定標(biāo)曲線。endprint

進(jìn)行實驗的實驗室中多擁有著充分的條件，可以通過計算機(jī)的協(xié)助將定標(biāo)曲線合理地完成，從而充分的擬合測量點。其中想要對測量點進(jìn)行充分的擬合，需要通過計算機(jī)將近似函數(shù)運算出來，例如以下的公式：

Ig=﹣0.135467+■+■，接著按照該公式，能夠?qū)⒍?biāo)曲線圖繪制出來。

根據(jù)圖表的綜合分析，在產(chǎn)生較大的待測電阻變化范疇，或者平衡點與測量點有著較遠(yuǎn)的偏離時，需要通過多點定標(biāo)的方式，也可以通過計算機(jī)對曲線的擬合方法開展具體的測量。并且，進(jìn)行實驗的過程中，還能夠?qū)⒎瞧胶怆姌驕y量系數(shù)作為補充形式的實驗，鼓勵實驗者通過實驗的主要現(xiàn)象開展較為細(xì)致的分析，利用相應(yīng)的解決方法進(jìn)行不斷的探究，培養(yǎng)實驗者通過所學(xué)到的知識完善地解決問題。[7]

5 總結(jié)

根據(jù)以上的論述，運用系統(tǒng)的實驗通過非平衡電壓電橋的測量，針對非線性特征提出了相應(yīng)的結(jié)果。在不同的角度上對非平衡電壓電橋特性進(jìn)行的驗證，得出擁有越小的非線性誤差，就會擁有較低的電橋靈敏度。

（山海關(guān)鐵路技師學(xué)院，河北 秦皇島 066200）

參考文獻(xiàn)：

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[2]任殿慧，周巧娣，章雪挺.一種鉑電阻測溫電路的非線性校正方法[J].電子器件，2013，11（08）：115-118.

[3]楊達(dá)曉，唐海燕，楊耀輝.應(yīng)用Origin軟件非平衡電橋?qū)嶒瀃J].重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，10（03）：156-159.

[4]陳國杰，黃義清，謝嘉寧.線性非平衡電橋設(shè)計及應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2013，6（05）：147-149.

[5]汪建軍.用非平衡電橋設(shè)計組裝鉑電阻數(shù)字溫度計[J].浙江萬里學(xué)院學(xué)報，2013，4（08）：163-165.

[6]王衛(wèi)星，馮中營.非平衡電橋溫度及設(shè)計中串聯(lián)電阻的研究[J].大學(xué)物理實現(xiàn)，2013，2（04）：178-179.

[7]李林，徐澤紅，吳新全.應(yīng)用非平衡電橋測量電阻實驗的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2013，14（06）：198-199.endprint