電橋拓展系列實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與研究

杜全忠

(寧夏大學(xué),寧夏銀川 750021)

電橋拓展系列實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與研究

杜全忠

(寧夏大學(xué),寧夏銀川 750021)

開發(fā)了以橋式電路為主線的拓展系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,研究了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的新型課程教學(xué)體系,探索了一種基于通用型儀器及元器件的積木式自主搭建實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)方法和單元開放式的實(shí)驗(yàn)方法,豐富了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,開闊了學(xué)生的視野,拓展了學(xué)生設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的思維空間,有效培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

橋式電路;開發(fā)研究;系列實(shí)驗(yàn);培養(yǎng)能力

電橋電路[1-2]不僅可測(cè)量很多電學(xué)量,如電阻、電容、電感、互感等,而且配合不同的傳感器件,還可測(cè)量很多非電學(xué)量,如溫度、壓力、濕度、位移、加速度等。因此,在自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛[2],尤其是智能儀器儀表、傳感器技術(shù),橋式電路是很重要的組成部分。

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求,以能力培養(yǎng)為主線,運(yùn)用科學(xué)發(fā)展觀系統(tǒng)論的觀點(diǎn),建立層次性、模塊化、分段式相互銜接的,科學(xué)系統(tǒng)的,與理論教學(xué)既結(jié)合又相對(duì)獨(dú)立的先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)體系。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)室可配備一些相關(guān)積木式儀器設(shè)備和元器件,開設(shè)一些與實(shí)際緊密結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。本文以電橋拓展系列單元實(shí)驗(yàn)[3-4]為例,探索了一種基于通用型儀器及元器件的積木式自主搭建實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)方法和單元開放式的實(shí)驗(yàn)方法[1,5]。

1 電橋基本原理

1.1 直流單臂電橋

單臂電橋適用于測(cè)量中值電阻,其基本電路如圖1所示。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)各臂路電阻參數(shù),可使電橋達(dá)到平衡。電橋平衡時(shí),可得

圖1 直流單臂電橋原理圖

這就是直流單臂電橋工作的基本原理。

1.2 直流雙臂電橋

雙臂電橋是單臂電橋的變形,它適用于測(cè)量低值電阻,其基本電路如圖2所示。

圖2 直流雙臂電橋原理圖

在單臂電橋基礎(chǔ)上需做兩點(diǎn)改進(jìn),即:一是增加一個(gè)由R3、R4組成的臂路,二是Rs、Rx為四端鈕接法,設(shè)D1、D2間導(dǎo)線電阻與接觸電阻的總和為R。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)各臂路電阻參數(shù),可使電橋達(dá)到平衡。電橋平衡時(shí),可得

電橋設(shè)計(jì)時(shí),如保證R3/R4=R1/R2,則(2)式便可簡(jiǎn)化為

通過上述兩點(diǎn)的改進(jìn),加上R3/R4=R1/R2的設(shè)定,從而保證了雙臂電橋以準(zhǔn)確測(cè)量低值電阻阻值的可行性。

1.3 直流非平衡電橋

在圖1中,若其中某一個(gè)(或幾個(gè))電阻作為傳感元件,其電阻值隨待測(cè)物理量(如溫度、壓力)的改變而改變,電橋就處于非平衡狀態(tài)。電橋在非平衡態(tài)時(shí),C、D兩點(diǎn)間電勢(shì)不等,其電勢(shì)差的大小反映了電阻的變化情況,橋路中的電流計(jì)就會(huì)有電流流過。如果將橋路中的電流信號(hào)(或C、D兩點(diǎn)間電壓信號(hào))引出來加以測(cè)量,就可知道電路中電阻的變化情況,也就知道了待測(cè)物理量的變化情況。這就是非平衡電橋工作的基本思路。

1.4 交流電橋

圖3 交流電橋的基本電路

當(dāng)交流電橋的臂路阻抗取不同的元件時(shí),可分別用來測(cè)量電阻、電感、電容、頻率等。這就是交流電橋工作的基本思路

2 電橋基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

2.1 用積木式儀器及器件組合搭建直流單臂電橋裝置并實(shí)施測(cè)量

要求參照?qǐng)D1,用電阻箱、檢流計(jì)、電鍵、滑動(dòng)變阻器及待測(cè)電阻等積木式儀器及器件組合搭建直流單臂電橋裝置;用自組直流單臂電橋裝置測(cè)量不同量級(jí)的待測(cè)中值電阻,估算其測(cè)量不確定度,給出測(cè)量結(jié)果;測(cè)量自組電橋裝置的靈敏度,并研究影響電橋靈敏度的因素。

2.2 用成品直流單臂電橋并測(cè)量電阻

要求用成品QJ-23型箱式電橋測(cè)量2.1中待測(cè)電阻,估算其測(cè)量不確定度,給出測(cè)量結(jié)果。綜合評(píng)判兩種電橋的測(cè)量結(jié)果,給出最終的測(cè)量結(jié)果(應(yīng)用加權(quán)平均法)。

2.3 用成品直流雙臂電橋測(cè)量低值電阻

要求用成品QJ-44型箱式電橋和輔助器件測(cè)量待測(cè)銅棒電阻及其銅材料電阻率,估算其測(cè)量不確定度,給出測(cè)量結(jié)果。

3 電橋拓展系列實(shí)驗(yàn)

3.1 溫度傳感器溫度特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

用直流電橋測(cè)量室溫~120℃溫度范圍內(nèi)薄膜型Pt100鉑電阻溫度傳感器的溫度特性(即鉑電阻的電阻隨溫度的變化曲線,并確定其溫度系數(shù))。實(shí)驗(yàn)中采用圖1中的直流電橋,其中,R1、R2為阻值相等(如R1=R2=100Ω)的金屬膜精密電阻,Rs為精密電阻箱,Rx為待測(cè)Pt100鉑電阻溫度傳感器,將其置入盛有甲基硅油并附有控溫系統(tǒng)的加熱油浴中,橋路中的檢流計(jì)換為直流伏特表。從室溫起開始測(cè)試,然后開啟油浴加熱器,每間隔5℃將控溫系統(tǒng)設(shè)置一次,待控溫穩(wěn)定約2min后,調(diào)整電阻箱Rs使輸出電壓為零,即電橋達(dá)到平衡,則按式(1)計(jì)算待測(cè)Pt100鉑電阻一定溫度下的阻值(即Rx=RS)。由此測(cè)量Pt100鉑電阻溫度傳感器的電阻隨溫度的變化曲線,并確定其溫度系數(shù)。

3.2 鐵磁材料基本特性(居里溫度)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

用交流電橋測(cè)量鐵磁材料的居里溫度,居里溫度可用任何一種交流電橋測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)采用如圖4所示的RL交流電橋,在電橋中輸入電源由信號(hào)發(fā)生器提供,在實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)選擇較高的輸出頻率,w為信號(hào)發(fā)生器的角頻率。

圖4 RL交流電橋

其中Z1和Z2為純電阻,Z3和Z4為電感(包括電感的線性電r1和r2),其復(fù)阻抗為

當(dāng)電橋平衡時(shí),有

實(shí)部與虛部分別相等,得

選擇合適的電子元件相匹配,在未放入鐵氧體時(shí),可直接使電橋平衡,但當(dāng)其中一個(gè)電感放入鐵氧體后,電感大小發(fā)生了變化,引起電橋不平衡。隨著溫度上升到某一個(gè)值時(shí),鐵氧體的鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?C、D兩點(diǎn)間的電位差發(fā)生突變并趨于零,電橋又趨向于平衡,這個(gè)突變的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度就是居里溫度。由于被研究的對(duì)象鐵氧體置于電感的繞組中,被線圈包圍,所以當(dāng)置入盛有甲基硅油并附有控溫系統(tǒng)的加熱油浴中加熱時(shí),若加熱升溫速度過快,則甲基硅油溫度將與鐵氧體實(shí)際溫度不同(加溫時(shí),鐵氧體溫度低于油溫,降溫時(shí),鐵氧體溫度高于油溫),這種滯后現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中須加以重視。只有在動(dòng)態(tài)平衡的條件下,磁性突變的溫度才精確等于居里溫度。

在室溫~120℃的范圍內(nèi),測(cè)量橋路電壓與溫度的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)所選鐵氧體測(cè)試樣品的居里溫度為80℃,在室溫~75℃和90℃~120℃的范圍內(nèi),每間隔5℃記錄一次橋路電壓值,在75℃~90℃的范圍內(nèi),每間隔0.5℃記錄一次橋路電壓值?？赏ㄟ^橋路電壓與溫度的關(guān)系曲線,求其曲線突變處的溫度,并分析研究在升溫與降溫時(shí)的速率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

3.3 數(shù)字體溫計(jì)實(shí)驗(yàn)

在醫(yī)學(xué)、生物上需要精確測(cè)量人體(或生物)體溫及其變化。將圖1電路中的不平衡電壓加以放大,可設(shè)計(jì)出如圖5所示的數(shù)字式體溫計(jì)電路[6-7]。熱敏電阻RT(阻值可選500~5 000Ω范圍)和R1、R2、R3、RP1組成一個(gè)測(cè)溫電橋,在溫度為+20℃時(shí)選定R1、R3,調(diào)節(jié)RP1使電橋平衡,當(dāng)溫度升高時(shí),熱敏電阻阻值發(fā)生變化(變小),電橋輸出的不平衡電壓經(jīng)運(yùn)算放大器放大后可引起反饋電路中的微安表指針的偏轉(zhuǎn)。

圖5 醫(yī)用數(shù)字溫度計(jì)電路圖

3.4 酸度計(jì)實(shí)驗(yàn)

在物理化學(xué)、生物上需要測(cè)量水溶液的pH值[8]。將圖1電路中的不平衡電壓加以放大,同樣可設(shè)計(jì)出如圖6所示的酸度計(jì)電路。

圖6 酸度計(jì)電路圖

圖6中虛線方框內(nèi)是一個(gè)通過由兩個(gè)變?nèi)荻O管D1、D2與兩個(gè)電感L1、L2組成橋式電路的參量振蕩放大器,當(dāng)直流信號(hào)加在D1、D2之間時(shí),引起變?nèi)荻O管電容量的變化,使橋路不平衡。在F、G兩端便有交流信號(hào)輸入放大器A1,放大后的信號(hào)通過變壓器T1正反饋至橋路,引起振蕩,形成一交流信號(hào),其振幅隨輸入直流信號(hào)而變化。參量放大器的交流信號(hào)經(jīng)T1送至放大器T2進(jìn)行交流放大,再整流成直流信號(hào),經(jīng)放大器A3進(jìn)行電壓放大,由電表指示。反饋電位器得到的負(fù)反饋電壓送至變?nèi)荻O管。通過反饋量的調(diào)節(jié),使指針偏轉(zhuǎn)的指示值△PH與PH的實(shí)際變化△PH′相一致(校正調(diào)節(jié))。整個(gè)放大器可以看成是一個(gè)深度負(fù)反饋的阻抗變換器。該電路使用一組電阻橋路進(jìn)行定位調(diào)節(jié),以消除接界電位和不對(duì)稱電位,使PH絕對(duì)值與電表刻度相一致。

4 結(jié) 論

由電橋拓展系列開放式實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開發(fā)及教學(xué)實(shí)踐表明,以電橋?yàn)橹骶€的拓展系列單元開放式實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)裝置由學(xué)生自主搭建,所需積木式通用儀器及元器件隨處可取或稍做投入;方法新穎而具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性,遵循實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律;實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容豐富而又循序漸進(jìn),緊密結(jié)合實(shí)際,科學(xué)技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué),原理易于被學(xué)生接受;自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、動(dòng)手動(dòng)腦、分析問題解決問題的過程被學(xué)生充分體會(huì),有效培養(yǎng)和提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。因此,通過應(yīng)用范圍的拓展,使學(xué)生領(lǐng)悟到物理學(xué)原理在工程技術(shù)等實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值[9-10],看到或體會(huì)到當(dāng)前所做的物理實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)手段等,肯定對(duì)今后的工作、創(chuàng)新帶來自助的啟發(fā)和幫助,開闊自己的視野,乃至拓展自己創(chuàng)新的思維空間。

[1] 朱鶴年.新概念基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)講義[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013:163-183.

[2] 成正維.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2002:102-118.

[3] 邱淑榮,許磊.基于熱敏電阻溫度特性的拓展實(shí)驗(yàn)系列研究[J].大學(xué)物理,2004(8):45-47.

[4] 劉曉來.電橋?qū)嶒?yàn)的改革嘗試[J].大學(xué)物理,2003 (6):31-34.

[5] 杜全忠,潘勇志.PN結(jié)物理特性的開放式測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015(3):55-59.

[6] 周嫻,齊建英,汪潔.熱敏電阻溫度計(jì)的線性化的設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2013(2):45-47.

[7] 胡勇,王嚴(yán)東.鉑電阻溫度測(cè)量設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究與開發(fā)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015(3):15-16.

[8] 蔡顯鄂,項(xiàng)一非,劉衍光.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,1993:248-252.

[9] 付鶴翔,張利鳳,郭文川.電容式糧食含水率測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011(11):131-134.

[10]趙萬峰,秦龍,鄭建習(xí),等.橋式電路在測(cè)井技術(shù)中的應(yīng)用[J].能源與節(jié)能,2012(2):89-90.

Development and Research for Bridge Circuit Expanding Serials Experiments

DU Quan-zhong
(Ningxia University,Ningxia Yinchuan 750021)

A series of expanding experiment projects using themain line of the bridge circuit is developed.And the new curriculum teaching system of college physics experiments is studied.We also explored ways for the modular independent circuit design based on general-purpose instruments and components,and built unit open experimentalmethods,which enrich the university physics experiment contents,broaden their horizons,expand the student design and innovative thinking space,effectively train the practical and innovation abilities.

bridge circuit;research and development;series experiments;training abilities

O 4-33;O475

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.010

1007-2934(2015)06-0034-04

2015-08-10

國家自然科學(xué)基金(61440050)