DL08-1 出租租赁两用非平衡电桥-电桥校验标准器

 技术性能

   1）准确度等级：非平衡桥：1.0级

                  平衡电桥：0.2级

   2）有效量程：非平衡桥：Rx·(－100％～＋75％)

                  平衡电桥：1Ω～11.11MΩ

   3）量程倍率：微调倍率：1∶3.3 ～1∶1～ 3.3∶1

                  十进倍率：10-3—10-2—10-1—1—10—102—103

4）测量盘：   10×（1000 + 100 + 10 + 1）Ω小分度0.2Ω

   5）各盘准确度：       0.1 0.1 0.5 2％

6）限流电阻：120Ω—2kΩ—5 kΩ

7）可调恒流源：0.4 mA～10 mA

8）可调恒压源：1.3V～20V

9）数字表量程：检流计20V—2V—200mV—20mV

                  测恒流0～20 mA

                 测恒压0～20V

10）环境条件：温度：5°～35℃

                  相对湿度：25％～80％

11）外形尺寸：262×205×125mm3

12）重量：     2kg

（一）DL08－1型两用非平衡电桥

   1）准确度等级：非平衡桥：1.0级

                  平衡电桥：0.2级

   2）有效量程：非平衡桥：Rx·(－100％～＋75％)

                  平衡电桥：1Ω～11.11MΩ

   3）量程倍率：微调倍率：1∶3.3 ～1∶1～ 3.3∶1

                  十进倍率：10-3—10-2—10-1—1—10—102—103

4）测量盘：   10×（1000 + 100 + 10 + 1）Ω小分度0.2Ω

   5）各盘准确度：       0.1 0.1 0.5 2％

6）限流电阻：120Ω—2kΩ—5 kΩ

7）可调恒流源：0.4 mA～10 mA

8）可调恒压源：1.3V～20V

9）数字表量程：检流计20V—2V—200mV—20mV

                  测恒流0～20 mA

                  测恒压0～20V

10）环境条件：温度：5°～35℃

                  相对湿度：25％～80％

11）外形尺寸：262×205×125mm3

12）重量：    2kg

 2.四个桥臂

现在结合图1.面板图和图2.电路图，简述DMQJ－1型两用非平衡电桥的结构和功能。

1）R1—R2；倍率臂（比例臂），见图2左边第2支路，它是由8个电阻自下而上串联组成的7档分压器，它的上端点是E+，可变内分点（开关的旋钥，如图中箭头所示）是N，下端点是E－。R1—R2的旋钮位置见图1右上方，标有字符“倍率”。倍率臂算做4个桥臂中的2个而不是1个。在平衡电桥中，它的功能是设定量程。安全档位是“×1”档。

在非平衡电桥中，倍率臂提供电压基准点，所以又可称为基准臂。顺时针转动旋钮经过各个档位时，E+—N、N—E－上下两部分的电阻比值R1∶R2依次为10-3—10-2—10-1—1—10—102—103等7个离散值，非平衡电桥通常可取比值1（第4档）。有的场合要求倍率连续可调，以便同时具有调零功能，这时就不能使用上述的R1—R2臂了。见图1右上方，将“倍率”旋钮旋到左极限或右极限档位（二者等效，只是为了调节方便，减少触点磨损），从图2看去，由N点引出的旋钥箭头就脱离了R1—R2支路，接通了左边的R11—R22支路。R11—R22支路是用1只电位器（居中）和2只电阻器（上下各一）组成的，E+—N、N—E－上下两部分阻值的比值是连续可调的，调节范围约为1∶3.3 ～1∶1～ 3.3∶1，这就构成了合乎上文要求连续可调的倍率微调臂（基准微调臂）。微调臂电位器的调节旋钮，位于图1下排左起第4孔位，标有字符“倍率微调”。调节前，一定要确认图1右上角的“倍率”旋钮已旋在“微调”档，否则调节该电位器无效。

2）R4：未知臂，涉及图2右下部分和图1上方、左上方的接线柱G±、M、E－。在平衡电桥中，R4是被测电阻，写成Rx。一般情况下是两端电阻，接在接线柱M、E－之间，见图

 3；当Rx的引线很长时，往往把Rx接成三端电

阻，可消除引线电阻的影响（倍率要尽量接

近1），此时Rx要接在接线柱M、G±、E－之间，

见图4。①号引线归入桥臂R3，③号引线归入

桥臂R4，从而①、③的引线电阻和接触电阻

互相抵消；②号引线归入检流计支路，因此②

的引线电阻和接触电阻不会影响四臂平衡状态。

在非平衡电桥中，R4是应变片、热（敏）

电阻等传感器，本文称做传感臂。

Rx虽然无所谓“安全档位”，但要避免在

不接任何电阻的情况下就开机通电。

3）RD：比较臂，见图2右上部分和图1

的中间一行，它是4盘十进电阻箱，第4盘设计成连续调节，提高了整机的调节细度。在平衡电桥中，RD的功能是调节平衡和读取测量值。

在非平衡电桥中，RD要承担不同角色，因此RD没有直接和电路联通，只提供a、b两个独立接线柱以备换接，接线柱a和b位于图1中行右端。若将b—M联通、a—E—联通，RD就取代了传感器Rx的位置，Rx暂不接入电路，见图5，成为自校非线性的电路。在选好限流臂R3（详见下文第4）款）、调好零点的基础上，转动RD的旋钮来模拟传感器的线性变化，数字检流计G就会显示出电压响应信号UG，UG具有非线性误差。记录10组RD—UG数据，作物理曲线进行研究。UG是RD的函数，

UG＝f（RD）                                      （1）

式（1）会反映出纯阻性非平衡电桥自身（而不是传感器）的固有非线性。

作为平衡电桥使用时，测量前需要把接线柱a与接线柱E+联通，把接线柱b与接线柱M联通，见图3、图4。作为非平衡电桥使用时，也可以象平衡电桥那样仍将E+—a联通、b—M联通，此时RD做了限流臂，可以调大调小，很方便，见下款4），但若要自校则需另配电阻箱。RD的安全档位是，4个旋钮都旋到“5”档；不安全档位是都旋到“0”档。

4）R3：非平衡电桥中的限流臂，有限制传感器电流的作用，见图2右上方，也正是原来平衡电桥比较臂RD所在的位置；其旋钮见图1下排左起第3孔位，标有字符“限流臂选择”。R3有5档，左起依次为120Ω—2kΩ—5 kΩ—空—IH。前三档为纯阻臂，低阻适合应变片、热电阻等（要将电源电压调低到几伏甚至1点几伏），高阻适合热敏电阻等（电源电压高20伏）。操作者要选接近你现有传感器阻值R4的档位。安全档位是“空”档。

第4档为空档，旋到此档时，可在接线柱E+—M之间接入RD或其它阻值作为限流臂，以弥补前3档之缺；另外，作为平衡电桥使用时，也必须将R3置于空档。

第5档IH是一个恒流源，是有源电子器件。用IH（而不是用纯电阻）做限流臂，可使上述的公式（1）在很大范围内保持良好的线性，这也是本文及本仪器的精华所在，通过上述第（3）款所讲“自校非线性的电路”就可以验证这一点。恒流源IH是可调的，调节范围为0.4mA～10 mA。IH的调节旋钮在图1下排右起第1孔位，标有字符“调IH调零”。调节该旋钮时，可同时按下它左边的“测IH（mA）”按钮，数字检流计就会自动转变成限流臂电流表，量程为20mA，直接显示调节效果，读出恒流源电流值，松开“测IH（mA）”按钮，它自动弹起，数字表自动恢复为检流计G。安全档位是按钮弹起、旋钮反时针转到底。

也可不揿下“测IH（mA）”按钮。此时比率选1，或用“倍率微调”旋钮调成略大于1；将自校电阻箱RD或传感器Rx联接到位，调节“调IH调零”、“倍率微调”、必要时调节RD旋钮使数字检流计示零，非平衡电桥就进入初始化状态。在这些调零措施中，RD的调节细度。当调节使检流计示零后，如果数字表零前有负号，顺时针缓慢转动RD（一般为第4盘）使负号刚刚消失就记下读数RD1；再逆时针缓慢转动RD使负号刚刚出现就记下读数

 RD2，后将RD的档位调定为RD1和RD2两点的中点：

RD=（RD1+RD2）÷2，                                    （2）

这样可消除数字表±1个字的进位误差。以IH做限流臂的自校电路见图6，测量电路见图7。

IH调到小值0.4mA可为传感器提供数十千欧的线性动态区间（电源电压调到20V），适合阻值较大（几千欧及以上）的热敏电阻等传感器；IH调到大值10mA可为传感器提供数百欧或数十欧的线性动态区间（电源电压1.3到几伏），适合阻值较小的应变片、热电阻(Pt100、Cu50）等；IH调到0.3mA～10 mA之间的电流值可适应各种不同的传感器。

3.数字表—可调电源

1）如图1左上方，数字检流计G的量程选择旋钮在数字表左边，标有字符“G量程”，兼做整机的电源开关，共有5档，按顺时针方向依次排列为20V～2V～关～200m V～20mV，置于中间“关”档时整机关闭。安全档位是“20V”，但“关”档更优先。

如图2下方所示，数字检流计没有直接与电路联通，左边有“G通断”按钮将G与比率臂内分点N断开，不揿不通；右边有接线柱G±与M断开，不联线不通。这样便于用户灵活改接电路。当使用平衡电桥测量二端电阻时，要象图3那样将G±—M—b三个接线柱联在一起，将E+—a两个接线柱联在一起，将被测电阻Rx接到M、E—之间，再将图1下排左起第2孔位的按钮开关“G通断”揿下，整体电路才算联通；用平衡电桥测量三端电阻的情况见图4，使用非平衡电桥的情况见有关图示，请同学自己描述。

2）电源调整旋钮在下排左起第6孔位，标有字符“调B”，是一只多圈电位器，它可

调节电源电压在1.3 V～20 V范围内变化。在调节“调B”旋钮时，可以同时按下它左边的“测B（伏）”按钮，数字检流计就会自动转变成电源电压表，量程为20V，直接显示调节效果，读出电源电压值。松开“测B（伏）”按钮，它自动弹起，数字表自动恢复为检流计G。安全档位是按钮弹起、旋钮反时针转到底。

为了避免电桥电路长时间通电，在电源干路中设有“B通断”按钮开关，见图2右上角和图1下排第1孔位。当观察并调节各电桥臂时，应该揿下“B通断”按钮令其接通（同时也需揿下“G通断”按钮）；中断观察调节时，手指松开，“B通断”按钮（以及“G通断”按钮）即自动弹起切断电路。“B通断”、 “G通断”的安全档位都是按钮弹起状态。

4.外接端子

大部分外接端子已在上文中介绍过了，现在整体梳理一遍。

1）如图1，面板左上角有个接线柱E+，面板右上角偏下处有个接线柱E—。用户切不

可在其上联接外电源，因机内已有电源。接线柱E+、E—是准备联接各种桥臂，见下文。

2）如图1，面板左上角偏下处有个接线柱N，面板右上角有个接线柱M。N是比率臂的中点，M是限流臂和传感臂的中点。

E+M之间可接入限流臂（平衡电桥要接比较臂即4个读数盘）；

M E—之间可接入传感臂（平衡电桥要接未知臂即被测电阻）；

E+M之间可接入第二个传感臂构成半桥电路，见下文的图12；

E+N之间、NE—之间可分别接入第三、第四个传感臂，构成全桥电路，见下文的图14；

3）如图1，检流计上方有2个接线柱G0、G±，G0、G±可以输出非平衡电压信号，以备客户联机使用。请注意，必需用导线联通G±与M，检流计才能正常工作（三端法除外）。

5.非线性及其矫正

5.1纯电阻臂非平衡电桥的非线性

非平衡电桥与惠斯通四臂电桥没有根本的区别，后者只关心调平后4臂的比例关系，前

者则更注重偏离平衡态时检流计端电压值UG与某一桥臂（例如传感臂R4，R4随温度或压力等被测量而变化）电阻值R4之间的函数依从关系。纯电阻本来是一种线性元件，但是由4个纯电阻臂组成的非平衡电桥却表现出非线性特征，这种现象*不是因为设计不当，第二不是因为制造不精，而是由电桥的数学物理模型决定了的自然规律。我们知道四臂电桥是一个“H”形串并混联网络，所以在用自变量R4的解析式表达因变量UG时，R4不只出现在分子中，也出现在分母中，故而形成了非线性函数关系。这种电路的准线性区间连（－10％～＋10％）·R40都难以保证（R40表示传感元件的初始电阻值），容纳不下传感元件的固有动态区间，只好采取下列权宜的措施，给于有限的弥补（详见后文的教学参考资料）：

1） 选择阻值较大的限流臂，即R3＞＞R4，使R3—R4支路的电流大小主要取决于R3，

近似为恒流支路，则R4上的电压近似与其电阻成线性变化，从而UG近似与R4成线性变化。此法会导致灵敏度偏低、工作电压偏高等弊端，需提高检流计的灵敏度。

2）精心选择互补性传感元件接成半桥（双敏感臂）电路，见后文的图12。如果R4是一个正温度系数的热敏电阻（或受拉应变片），就要把限流臂换成一个负温度系数的热敏电阻（或受压应变片）R3；R1—R2仍然用普通电阻作为倍率臂，假设R3、R4的温度系数（或应变响应系数）值相等，符号相反，R3、R4的体积足够小，在被测温度场中的安放位置足够靠近。当该点上的温度变化时，一个热敏电阻（例如R4）的阻值增大△R，另一个热敏电阻（例如R3）的阻值恰好减小△R，形成此涨彼落、一进一退、丝丝入扣的差动机制，这样就可*消除纯电阻桥的固有非线性，使系统误差降低为零，获得*的线性度，兼得了较高的灵敏度。该电路的线性区间开始于R4为零、R3为大的状态，结束于R4为大、R3为零的状态，囊括了理论上所有可能的状态（但这些状态在实践中不全出现，例如热敏电阻的阻值不可能小到零）。

根据同样的道理可以设计四敏感臂电路，见后文图14。倍率臂也接上了传感元件，R1与R4性质相同（例如正温度系数），R2与R3性质相同（例如负温度系数）。原来的倍率微调电位器支路仍然保留，用来调节零点。

这类电路的缺点是对传感元件的要求苛刻，实际选配互补元件时，很难保证两个元件的*性，即便*了，安放位置不好也会偏离差动状态，引进人为误差。

5.2用恒流源作为限流臂，矫正非线性

需要指出，把每个传感元件做为一个独立的信息源是合理也是方便的使用方式；上

文要求2个或4个传感元件互补配对（温度系数严格等值反号）、缩小体积后做为一个独立的信息源，虽然体现了一种思维技巧，但同时增加了技术难度。配对元件不可能互补，因而非线性只能被部分消除；元件体积不可能足够小，因而只能是以两点温度的平均值近似代替一点的温度，无形中引入了新的系统误差。对比之下，用恒流源IH做限流臂，是一个比较合理和有效的办法，见图6、图7，操作者顺时针转动图1面板下排第3孔位的“限流臂选择”开关到第5档，就可以将IH联接到限流臂的位置上去。恒流源IH给传感元件R4提供电流，传感元件R4是恒流源IH的负载电阻。IH自身也有一个等效电阻，也记作R3。IH是一个0.4mA～10mA连续可调的高精度恒流源，当调定某个恒定电流值以后，IH的等效电阻值R3不会是恒定不变的，而是可以随着负载电阻R4变大变小的。当R4因温度升高而增大△R时，IH的等效电阻值R3随之减小一个等量△R；由于电流IH是不变的，故R4上的压降有一个增量

△U=IH△R                                        （3）2

恒流源IH（的内阻R3）上的压降随之减小一个等量△U=IH△R。IH及其内阻R3虽然没有直接去感测温度（或其它物理量），但R3却象一面特殊的镜子，能够准确跟随传感元件R4做差动变化，此涨彼落、一进一退、丝丝入扣。由此看来，恒流源IH与传感元件R4是一双理想的互补配对元件。它的互补差动性能已近乎理想，比2个传感元件组成的半桥或4个传感元件组成的全桥都要准确可信。它的线性区间，经过合理设计会比纯阻臂的线性区间宽得多。

在讨论线性区间之前，先设恒流源IH内阻R3的初始值是R30，传感元件R4的初始值是R40。可以令R30=R40，也就是令零点调节臂满足R11=R22。在工程实践中，要求该线性区间的负端（即传感元件阻值不断减小的区间）具有100％×R40的宽度是没有问题的，只要传感元件的阻值R4减小到零，电子恒流源的等效电阻值R3必然会随之增大，准确地跟进到R3=R30＋R40，何况真实的传感元件其阻值总不会减小到零，这就保证了非平衡电桥在负端肯定不会出现非线性。至于该线性区间的正端（即传感元件阻值R4不断增大的区间），当R4增大到R4=R40＋R30时，要求恒流源IH的内阻R3减退到零，才能保证线性区间的正端也拥有100％×R40的宽度。但是电子恒流源总会存在零点几到几伏的饱和压降，压降除以恒流值就是它的小等效电阻值，该值是不会为零的，从而可知线性区间正端的宽度不能保证100％×R40，但所欠不多。请注意导致此结论的前提是R30=R40，R11=R22。为此将前提修改为R30= 1.3×R40，R11= 1.3×R22。多出0.3倍的宽度足够容纳恒流源IH的饱和压降，使线性区间的正端宽度也能达到100％×R40。此时线性区间的负端宽度成为130％×R40，总体宽度就是230％×R40。在一般情况下，按照R30=R40，R11=R22设置的线性区间宽度已经足够用了。

还要强调一点，本方法是用来消除非平衡电桥自身的非线性，使UG尽可能成比例地反映敏感元件的阻值变化。至于敏感元件的阻值变化是否能成比例地反映被测量（温度、压力等）的变化，那是属于敏感元件的非线性，是后续课程要解决的问题。不要期望用本方法去消除敏感元件对被测量的非线性响应。