CN104064076A - 一种利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验装置 - Google Patents

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田凯
王照平
王丽霞
刘申晓
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Abstract

本发明提出一种利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验装置。它由可调桥臂电阻R1、R2、R3及热敏电阻Rt构成电桥，由可调电压源给电桥提供电源，热敏电阻放置在玻璃水槽中，水槽内设置半导体制冷装置、加热装置及温度传感器。电桥的输出电压经运算放大器放大后在数字电压表上显示出来。将可调桥臂电阻调节合适，通过温度控制器设定传热液体的温度t，读取电桥的输出电压Uo(t)，每隔一定温度测量一次，绘制Uo(t)～t曲线，就可以通过Uo(t)测量温度t。本发明采用可调桥臂电阻作为非平衡电桥的桥臂，可提高设计温度计的灵敏度，设计的温度计测量范围可扩展至室温以下，电桥输出电压大小调节方便，容易使设计的温度计显示的数值正好为待测物体的摄氏温度值。

Description

一种利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验装置
技术领域
本发明涉及一种物理实验装置，具体是涉及一种利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验装置。
背景技术
温度的测量与控制在我们的日常生活及生产、科研中有广泛的应用，例如，火警报讯器、恒温烘箱、电冰箱等。在这些应用装置中，常常是电信号被“加工”以后去控制执行机构工作的。但在“加工”之前，首先必须把由被控***给出的温度信号转换为相应的电信号，温度传感器就是执行这一任务的器件。半导体热敏电阻是一种阻值随温度改变发生显著变化的敏感元件，在工作温度范围内，阻值随温度升高而增加的称为正温度系数(Positive TemperatureCoefficient简称PTC)热敏电阻，反之称为负温度系数(Negative TemperatureCoefficient简称NTC)热敏电阻。热敏电阻具有体积小、反应快、使用方便等优点，通过热敏电阻，可以把温度及其变化转换成电学量或电学量的变化加以测量。所以，它被广泛应用于工、农、医、交通、军事、科研等各个领域的温度测量及控制工作中。
直流电桥是一种精密的电学测量仪器，可分为平衡电桥及非平衡电桥两类。平衡电桥是通过调节电桥平衡，将待测电阻与标准电阻进行比较得到待测电阻的大小，如惠更斯电桥、开尔文电桥等都是平衡式直流电桥。由于需要调节平衡，因此平衡电桥只能用于测量具有相对稳定状态的物理量。随着测量技术的发展，电桥的应用不再局限于平衡电桥的范围，非平衡电桥在非电量的测量中已得到广泛应用。实际工程和科学实验中，待测量往往是连续变化的，只要能把待测量同电阻值的变化联系起来，便可采用非平衡电桥进行测量。将各种电阻型传感器接入电桥回路，桥路的输出电压就能反映出桥臂电阻的微小变化，因此，通过测量非平衡电桥的输出电压就可以检测出待测量的变化，如温度、压力、湿度等。
利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验是物理实验中一个常见的实验项目，它是一个比较典型的非平衡电桥应用实例，是市场上各类数字温度计的雏形，具有一定的实用价值。
目前利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验装置主要存在以下不足：
其一，非平衡电桥的桥臂一般采用固定步进量、一定档位的单盘变阻器，阻值可调范围比较小，很多情况下不能同热敏电阻相适应，使设计的温度计灵敏度比较低，影响实验效果。
其二，加热源温度控制器一般是电源加热，风扇冷却，以空气作为传热物质，受热不均匀，测量范围一般只能是室温或高于室温，无法对低于室温的情况进行研究，使设计的温度计测量范围受到限制。
其三，电桥输出电压大小不易调节，很难使设计的温度计显示的数值正好为待测物体的摄氏温度值。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提出一种利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验装置，该装置采用可调桥臂电阻作为非平衡电桥的桥臂，阻值可调范围大，可与各类热敏电阻相匹配，从而提高设计温度计的灵敏度。以液体作为传热物质，受热均匀，而且设计的温度计测量范围可以扩展至室温以下。电桥输出电压大小调节方便，容易使设计的温度计显示的数值正好为待测物体的摄氏温度值。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：由可调桥臂电阻R1、R2、R3及半导体热敏电阻或金属热敏电阻Rt分别作为电桥的四个桥臂，构成一个电桥，由可调电压源给电桥提供电源，电压源输出电压的大小可以通过旋钮进行调节，并可在电压源电压显示屏上显示出来。半导体热敏电阻或金属热敏电阻放置在一个一端封闭的玻璃水槽中，玻璃水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果。将传热液体注入玻璃水槽内，高度合适，在玻璃水槽内传热液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却传热液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热传热液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量传热液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定传热液体的温度。通过温度控制器上的按键设定传热液体的温度，利用温度传感器测量传热液体的实际温度，温度控制器内部由微处理器进行控制，如果设定温度低于实际温度，则启动半导体制冷装置，冷却传热液体，直到温度降低到设定值；如果设定温度高于实际温度，则启动加热装置，加热传热液体，直到温度增加到设定值。电桥的输出端连接运算放大器一，作为一个反向电压放大器，电压放大倍数可以通过改变可调反馈电阻Rf及可调输入电阻Ri的大小进行调节，将电桥的输出电压放大，再经作为输出缓冲器的运算放大器二输出，在数字电压表的电压显示屏上显示出来。实验操作时，首先根据半导体热敏电阻或金属热敏电阻在测温范围内的阻值，将可调桥臂电阻R1、R2及R3的大小调节合适，然后通过温度控制器上的按键设定传热液体的温度t，即半导体热敏电阻或金属热敏电阻的温度，将运算放大器一的电压放大倍数调节合适，最后通过数字电压表的电压显示屏读取电桥的输出电压Uo(t)，每隔一定温度测量一次，记录于表中，并绘制Uo(t)～t曲线，这样就可以通过Uo(t)测量温度t。通过适当选取桥臂电阻、可调反馈电阻Rf及可调输入电阻Ri的值，可使数字电压表的电压显示屏显示的电压值正好为待测物体的摄氏温度值。
本发明的有益效果是，该实验装置设计的电阻温度计测量范围可以扩展至室温以下，采用可调桥臂电阻作为非平衡电桥的桥臂，可与各类热敏电阻相匹配，从而可以提高设计温度计的灵敏度，电桥输出电压大小调节方便，容易使设计的温度计显示的数值正好为待测物体的摄氏温度值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图是本发明的结构示意图。
图中1.可调桥臂电阻R1，2.可调桥臂电阻R2，3.可调桥臂电阻R3，4.半导体热敏电阻或金属热敏电阻Rt，5.可调电压源，6.电压源电压显示屏，7.可调电压源输出端接口，8.可调电压源电源开关，9.可调电压源电压大小调节旋钮，10.加热装置，11.温度传感器，12.半导体制冷装置，13.加热装置与温度控制器之间的接口，14.温度传感器与温度控制器之间的接口，15.半导体制冷装置与温度控制器之间的接口，16.温度显示屏，17.温度控制器，18.数字选择按键，19.上调按键，20.下调按键，21.指示灯，22.复位按键，23.温度设定按键，24.可调反馈电阻Rf，25.可调输入电阻Ri，26.运算放大器一，27.运算放大器二，28.数字电压表输入端接口，29.数字电压表，30.数字电压表电压显示屏，31.数字电压表电源开关，32.数字电压表量程档位调节旋钮，33、34.公共接地端，35.玻璃水槽。
具体实施方式
附图中，由可调桥臂电阻R11、可调桥臂电阻R22、可调桥臂电阻R33及半导体热敏电阻或金属热敏电阻Rt4分别作为电桥的四个桥臂，构成一个电桥，由可调电压源5通过可调电压源输出端接口7给电桥提供电源，电压源输出电压的大小可以通过可调电压源电压大小调节旋钮9进行调节，并可在电压源电压显示屏6上显示出来。半导体热敏电阻或金属热敏电阻Rt4放置在一个一端封闭的玻璃水槽35中，玻璃水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果。将传热液体注入玻璃水槽35内，高度合适，在玻璃水槽35内传热液体中靠上部分设置一半导体制冷装置12，用来冷却传热液体，靠下部分设置一加热装置10，用来加热传热液体，中间部分设置一温度传感器11，用来测量传热液体的温度，半导体制冷装置12、加热装置10及温度传感器11分别通过半导体制冷装置与温度控制器之间的接口15、加热装置与温度控制器之间的接口13及温度传感器与温度控制器之间的接口14与温度控制器17相连接。通过温度控制器17上的温度设定按键23，数字选择按键18，上调按键19，下调按键20，可以设定传热液体的温度，并可在温度显示屏16上显示出来。指示灯21用来指示传热液体温度是否达到设定温度，传热液体温度不等于设定温度，指示灯21显示为红灯，传热液体温度达到设定温度，指示灯21显示为绿灯。电桥的输出端连接运算放大器一26，作为一个反向电压放大器，电压放大倍数可以通过改变可调反馈电阻Rf24及可调输入电阻Ri25的大小进行调节，将电桥的输出电压放大，再经作为输出缓冲器的运算放大器二27输出，在数字电压表29的数字电压表电压显示屏30上显示出来。数字电压表29的量程可以通过数字电压表量程档位调节旋钮32进行调节。
具体实验操作步骤为：
(1)按照附图连接线路，根据半导体热敏电阻或金属热敏电阻Rt4在测温范围内的阻值，将可调桥臂电阻R11、可调桥臂电阻R22及可调桥臂电阻R33的大小调节合适。
(2)通过温度控制器17上的温度设定按键23，数字选择按键18，上调按键19，下调按键20，设定传热液体的温度t，即半导体热敏电阻或金属热敏电阻Rt4的温度，直到指示灯21由红灯变为绿灯，即传热液体温度达到设定值。
(3)通过改变可调反馈电阻Rf24及可调输入电阻Ri25的大小将运算放大器一26的电压放大倍数调节合适，通过数字电压表量程档位调节旋钮32将数字电压表29的量程调节合适。通过数字电压表电压显示屏30读取电桥的输出电压Uo(t)，每隔一定温度测量一次，将数据记录于表中。
(4)绘制Uo(t)～t曲线，这样就可以通过Uo(t)测量待测物体的温度t。
(5)通过适当选取可调桥臂电阻R11、可调桥臂电阻R22、可调桥臂电阻R33、可调反馈电阻Rf24及可调输入电阻Ri25的值，可使数字电压表电压显示屏30显示的电压值正好为待测物体的摄氏温度值。
以上对本发明的结构进行了阐述，但是本发明所介绍的实施例并没有限制的意图，在不背离本发明主旨的范围内，本发明可有多种变化和修改。

Claims (2)

1.一种利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验装置，具体是由可调桥臂电阻R1、R2、R3及半导体热敏电阻或金属热敏电阻Rt分别作为电桥的四个桥臂，构成一个电桥，由可调电压源给电桥提供电源，电压源输出电压的大小可以通过旋钮进行调节，并可在电压源电压显示屏上显示出来，半导体热敏电阻或金属热敏电阻放置在一个一端封闭的玻璃水槽中，其特征是：玻璃水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果，在玻璃水槽内传热液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却传热液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热传热液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量传热液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定传热液体的温度。
2.根据权利要求1所述的利用非平衡电桥设计电阻温度计的实验装置，其特征是：电桥的输出端连接运算放大器一，作为一个反向电压放大器，电压放大倍数可以通过改变可调反馈电阻Rf及可调输入电阻Ri的大小进行调节，将电桥的输出电压放大，再经作为输出缓冲器的运算放大器二输出，在数字电压表的电压显示屏上显示出来，通过适当选取桥臂电阻、可调反馈电阻Rf及可调输入电阻Ri的值，可使数字电压表的电压显示屏显示的电压值正好为待测物体的摄氏温度值。
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