技術(shù)性能

   1）準(zhǔn)確度等級：非平衡橋：1.0級

                  平衡電橋：0.2級

   2）有效量程：非平衡橋：Rx·(－100％～＋75％)

                  平衡電橋：1Ω～11.11MΩ

   3）量程倍率：微調(diào)倍率：1∶3.3 ～1∶1～ 3.3∶1

                  十進倍率：10-3—10-2—10-1—1—10—102—103

4）測量盤：   10×（1000 + 100 + 10 + 1）Ω小分度0.2Ω

   5）各盤準(zhǔn)確度：       0.1 0.1 0.5 2％

6）限流電阻：120Ω—2kΩ—5 kΩ

7）可調(diào)恒流源：0.4 mA～10 mA

8）可調(diào)恒壓源：1.3V～20V

9）數(shù)字表量程：檢流計20V—2V—200mV—20mV

                  測恒流0～20 mA

                 測恒壓0～20V

10）環(huán)境條件：溫度：5°～35℃

                  相對濕度：25％～80％

11）外形尺寸：262×205×125mm3

12）重量：     2kg

（一）DL08－1型兩用非平衡電橋

   1）準(zhǔn)確度等級：非平衡橋：1.0級

                  平衡電橋：0.2級

   2）有效量程：非平衡橋：Rx·(－100％～＋75％)

                  平衡電橋：1Ω～11.11MΩ

   3）量程倍率：微調(diào)倍率：1∶3.3 ～1∶1～ 3.3∶1

                  十進倍率：10-3—10-2—10-1—1—10—102—103

4）測量盤：   10×（1000 + 100 + 10 + 1）Ω小分度0.2Ω

   5）各盤準(zhǔn)確度：       0.1 0.1 0.5 2％

6）限流電阻：120Ω—2kΩ—5 kΩ

7）可調(diào)恒流源：0.4 mA～10 mA

8）可調(diào)恒壓源：1.3V～20V

9）數(shù)字表量程：檢流計20V—2V—200mV—20mV

                  測恒流0～20 mA

                  測恒壓0～20V

10）環(huán)境條件：溫度：5°～35℃

                  相對濕度：25％～80％

11）外形尺寸：262×205×125mm3

12）重量：    2kg

 2.四個橋臂

現(xiàn)在結(jié)合圖1.面板圖和圖2.電路圖，簡述DMQJ－1型兩用非平衡電橋的結(jié)構(gòu)和功能。

1）R1—R2；倍率臂（比例臂），見圖2左邊第2支路，它是由8個電阻自下而上串聯(lián)組成的7檔分壓器，它的上端點是E+，可變內(nèi)分點（開關(guān)的旋鑰，如圖中箭頭所示）是N，下端點是E－。R1—R2的旋鈕位置見圖1右上方，標(biāo)有字符“倍率”。倍率臂算做4個橋臂中的2個而不是1個。在平衡電橋中，它的功能是設(shè)定量程。安全檔位是“×1”檔。

在非平衡電橋中，倍率臂提供電壓基準(zhǔn)點，所以又可稱為基準(zhǔn)臂。順時針轉(zhuǎn)動旋鈕經(jīng)過各個檔位時，E+—N、N—E－上下兩部分的電阻比值R1∶R2依次為10-3—10-2—10-1—1—10—102—103等7個離散值，非平衡電橋通常可取比值1（第4檔）。有的場合要求倍率連續(xù)可調(diào)，以便同時具有調(diào)零功能，這時就不能使用上述的R1—R2臂了。見圖1右上方，將“倍率”旋鈕旋到左極限或右極限檔位（二者等效，只是為了調(diào)節(jié)方便，減少觸點磨損），從圖2看去，由N點引出的旋鑰箭頭就脫離了R1—R2支路，接通了左邊的R11—R22支路。R11—R22支路是用1只電位器（居中）和2只電阻器（上下各一）組成的，E+—N、N—E－上下兩部分阻值的比值是連續(xù)可調(diào)的，調(diào)節(jié)范圍約為1∶3.3 ～1∶1～ 3.3∶1，這就構(gòu)成了合乎上文要求連續(xù)可調(diào)的倍率微調(diào)臂（基準(zhǔn)微調(diào)臂）。微調(diào)臂電位器的調(diào)節(jié)旋鈕，位于圖1下排左起第4孔位，標(biāo)有字符“倍率微調(diào)”。調(diào)節(jié)前，一定要確認(rèn)圖1右上角的“倍率”旋鈕已旋在“微調(diào)”檔，否則調(diào)節(jié)該電位器無效。

2）R4：未知臂，涉及圖2右下部分和圖1上方、左上方的接線柱G±、M、E－。在平衡電橋中，R4是被測電阻，寫成Rx。一般情況下是兩端電阻，接在接線柱M、E－之間，見圖

 3；當(dāng)Rx的引線很長時，往往把Rx接成三端電

阻，可消除引線電阻的影響（倍率要盡量接

近1），此時Rx要接在接線柱M、G±、E－之間，

見圖4。①號引線歸入橋臂R3，③號引線歸入

橋臂R4，從而①、③的引線電阻和接觸電阻

互相抵消；②號引線歸入檢流計支路，因此②

的引線電阻和接觸電阻不會影響四臂平衡狀態(tài)。

在非平衡電橋中，R4是應(yīng)變片、熱（敏）

電阻等傳感器，本文稱做傳感臂。

Rx雖然無所謂“安全檔位”，但要避免在

不接任何電阻的情況下就開機通電。

3）RD：比較臂，見圖2右上部分和圖1

的中間一行，它是4盤十進電阻箱，第4盤設(shè)計成連續(xù)調(diào)節(jié)，提高了整機的調(diào)節(jié)細(xì)度。在平衡電橋中，RD的功能是調(diào)節(jié)平衡和讀取測量值。

在非平衡電橋中，RD要承擔(dān)不同角色，因此RD沒有直接和電路聯(lián)通，只提供a、b兩個獨立接線柱以備換接，接線柱a和b位于圖1中行右端。若將b—M聯(lián)通、a—E—聯(lián)通，RD就取代了傳感器Rx的位置，Rx暫不接入電路，見圖5，成為自校非線性的電路。在選好限流臂R3（詳見下文第4）款）、調(diào)好零點的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)動RD的旋鈕來模擬傳感器的線性變化，數(shù)字檢流計G就會顯示出電壓響應(yīng)信號UG，UG具有非線性誤差。記錄10組RD—UG數(shù)據(jù)，作物理曲線進行研究。UG是RD的函數(shù)，

UG＝f（RD）                                      （1）

式（1）會反映出純阻性非平衡電橋自身（而不是傳感器）的固有非線性。

作為平衡電橋使用時，測量前需要把接線柱a與接線柱E+聯(lián)通，把接線柱b與接線柱M聯(lián)通，見圖3、圖4。作為非平衡電橋使用時，也可以象平衡電橋那樣仍將E+—a聯(lián)通、b—M聯(lián)通，此時RD做了限流臂，可以調(diào)大調(diào)小，很方便，見下款4），但若要自校則需另配電阻箱。RD的安全檔位是，4個旋鈕都旋到“5”檔；不安全檔位是都旋到“0”檔。

4）R3：非平衡電橋中的限流臂，有限制傳感器電流的作用，見圖2右上方，也正是原來平衡電橋比較臂RD所在的位置；其旋鈕見圖1下排左起第3孔位，標(biāo)有字符“限流臂選擇”。R3有5檔，左起依次為120Ω—2kΩ—5 kΩ—空—IH。前三檔為純阻臂，低阻適合應(yīng)變片、熱電阻等（要將電源電壓調(diào)低到幾伏甚至1點幾伏），高阻適合熱敏電阻等（電源電壓高20伏）。操作者要選接近你現(xiàn)有傳感器阻值R4的檔位。安全檔位是“空”檔。

第4檔為空檔，旋到此檔時，可在接線柱E+—M之間接入RD或其它阻值作為限流臂，以彌補前3檔之缺；另外，作為平衡電橋使用時，也必須將R3置于空檔。

第5檔IH是一個恒流源，是有源電子器件。用IH（而不是用純電阻）做限流臂，可使上述的公式（1）在很大范圍內(nèi)保持良好的線性，這也是本文及本儀器的精華所在，通過上述第（3）款所講“自校非線性的電路”就可以驗證這一點。恒流源IH是可調(diào)的，調(diào)節(jié)范圍為0.4mA～10 mA。IH的調(diào)節(jié)旋鈕在圖1下排右起第1孔位，標(biāo)有字符“調(diào)IH調(diào)零”。調(diào)節(jié)該旋鈕時，可同時按下它左邊的“測IH（mA）”按鈕，數(shù)字檢流計就會自動轉(zhuǎn)變成限流臂電流表，量程為20mA，直接顯示調(diào)節(jié)效果，讀出恒流源電流值，松開“測IH（mA）”按鈕，它自動彈起，數(shù)字表自動恢復(fù)為檢流計G。安全檔位是按鈕彈起、旋鈕反時針轉(zhuǎn)到底。

也可不撳下“測IH（mA）”按鈕。此時比率選1，或用“倍率微調(diào)”旋鈕調(diào)成略大于1；將自校電阻箱RD或傳感器Rx聯(lián)接到位，調(diào)節(jié)“調(diào)IH調(diào)零”、“倍率微調(diào)”、必要時調(diào)節(jié)RD旋鈕使數(shù)字檢流計示零，非平衡電橋就進入初始化狀態(tài)。在這些調(diào)零措施中，RD的調(diào)節(jié)細(xì)度。當(dāng)調(diào)節(jié)使檢流計示零后，如果數(shù)字表零前有負(fù)號，順時針緩慢轉(zhuǎn)動RD（一般為第4盤）使負(fù)號剛剛消失就記下讀數(shù)RD1；再逆時針緩慢轉(zhuǎn)動RD使負(fù)號剛剛出現(xiàn)就記下讀數(shù)

 RD2，后將RD的檔位調(diào)定為RD1和RD2兩點的中點：

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

這樣可消除數(shù)字表±1個字的進位誤差。以IH做限流臂的自校電路見圖6，測量電路見圖7。

IH調(diào)到小值0.4mA可為傳感器提供數(shù)十千歐的線性動態(tài)區(qū)間（電源電壓調(diào)到20V），適合阻值較大（幾千歐及以上）的熱敏電阻等傳感器；IH調(diào)到大值10mA可為傳感器提供數(shù)百歐或數(shù)十歐的線性動態(tài)區(qū)間（電源電壓1.3到幾伏），適合阻值較小的應(yīng)變片、熱電阻(Pt100、Cu50）等；IH調(diào)到0.3mA～10 mA之間的電流值可適應(yīng)各種不同的傳感器。

3.數(shù)字表—可調(diào)電源

1）如圖1左上方，數(shù)字檢流計G的量程選擇旋鈕在數(shù)字表左邊，標(biāo)有字符“G量程”，兼做整機的電源開關(guān)，共有5檔，按順時針方向依次排列為20V～2V～關(guān)～200m V～20mV，置于中間“關(guān)”檔時整機關(guān)閉。安全檔位是“20V”，但“關(guān)”檔更優(yōu)先。

如圖2下方所示，數(shù)字檢流計沒有直接與電路聯(lián)通，左邊有“G通斷”按鈕將G與比率臂內(nèi)分點N斷開，不撳不通；右邊有接線柱G±與M斷開，不聯(lián)線不通。這樣便于用戶靈活改接電路。當(dāng)使用平衡電橋測量二端電阻時，要象圖3那樣將G±—M—b三個接線柱聯(lián)在一起，將E+—a兩個接線柱聯(lián)在一起，將被測電阻Rx接到M、E—之間，再將圖1下排左起第2孔位的按鈕開關(guān)“G通斷”撳下，整體電路才算聯(lián)通；用平衡電橋測量三端電阻的情況見圖4，使用非平衡電橋的情況見有關(guān)圖示，請同學(xué)自己描述。

2）電源調(diào)整旋鈕在下排左起第6孔位，標(biāo)有字符“調(diào)B”，是一只多圈電位器，它可

調(diào)節(jié)電源電壓在1.3 V～20 V范圍內(nèi)變化。在調(diào)節(jié)“調(diào)B”旋鈕時，可以同時按下它左邊的“測B（伏）”按鈕，數(shù)字檢流計就會自動轉(zhuǎn)變成電源電壓表，量程為20V，直接顯示調(diào)節(jié)效果，讀出電源電壓值。松開“測B（伏）”按鈕，它自動彈起，數(shù)字表自動恢復(fù)為檢流計G。安全檔位是按鈕彈起、旋鈕反時針轉(zhuǎn)到底。

為了避免電橋電路長時間通電，在電源干路中設(shè)有“B通斷”按鈕開關(guān)，見圖2右上角和圖1下排第1孔位。當(dāng)觀察并調(diào)節(jié)各電橋臂時，應(yīng)該撳下“B通斷”按鈕令其接通（同時也需撳下“G通斷”按鈕）；中斷觀察調(diào)節(jié)時，手指松開，“B通斷”按鈕（以及“G通斷”按鈕）即自動彈起切斷電路。“B通斷”、 “G通斷”的安全檔位都是按鈕彈起狀態(tài)。

4.外接端子

大部分外接端子已在上文中介紹過了，現(xiàn)在整體梳理一遍。

1）如圖1，面板左上角有個接線柱E+，面板右上角偏下處有個接線柱E—。用戶切不

可在其上聯(lián)接外電源，因機內(nèi)已有電源。接線柱E+、E—是準(zhǔn)備聯(lián)接各種橋臂，見下文。

2）如圖1，面板左上角偏下處有個接線柱N，面板右上角有個接線柱M。N是比率臂的中點，M是限流臂和傳感臂的中點。

E+M之間可接入限流臂（平衡電橋要接比較臂即4個讀數(shù)盤）；

M E—之間可接入傳感臂（平衡電橋要接未知臂即被測電阻）；

E+M之間可接入第二個傳感臂構(gòu)成半橋電路，見下文的圖12；

E+N之間、NE—之間可分別接入第三、第四個傳感臂，構(gòu)成全橋電路，見下文的圖14；

3）如圖1，檢流計上方有2個接線柱G0、G±，G0、G±可以輸出非平衡電壓信號，以備客戶聯(lián)機使用。請注意，必需用導(dǎo)線聯(lián)通G±與M，檢流計才能正常工作（三端法除外）。

5.非線性及其矯正

5.1純電阻臂非平衡電橋的非線性

非平衡電橋與惠斯通四臂電橋沒有根本的區(qū)別，后者只關(guān)心調(diào)平后4臂的比例關(guān)系，前

者則更注重偏離平衡態(tài)時檢流計端電壓值UG與某一橋臂（例如傳感臂R4，R4隨溫度或壓力等被測量而變化）電阻值R4之間的函數(shù)依從關(guān)系。純電阻本來是一種線性元件，但是由4個純電阻臂組成的非平衡電橋卻表現(xiàn)出非線性特征，這種現(xiàn)象*不是因為設(shè)計不當(dāng)，第二不是因為制造不精，而是由電橋的數(shù)學(xué)物理模型決定了的自然規(guī)律。我們知道四臂電橋是一個“H”形串并混聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，所以在用自變量R4的解析式表達因變量UG時，R4不只出現(xiàn)在分子中，也出現(xiàn)在分母中，故而形成了非線性函數(shù)關(guān)系。這種電路的準(zhǔn)線性區(qū)間連（－10％～＋10％）·R40都難以保證（R40表示傳感元件的初始電阻值），容納不下傳感元件的固有動態(tài)區(qū)間，只好采取下列權(quán)宜的措施，給于有限的彌補（詳見后文的教學(xué)參考資料）：

1） 選擇阻值較大的限流臂，即R3＞＞R4，使R3—R4支路的電流大小主要取決于R3，

近似為恒流支路，則R4上的電壓近似與其電阻成線性變化，從而UG近似與R4成線性變化。此法會導(dǎo)致靈敏度偏低、工作電壓偏高等弊端，需提高檢流計的靈敏度。

2）精心選擇互補性傳感元件接成半橋（雙敏感臂）電路，見后文的圖12。如果R4是一個正溫度系數(shù)的熱敏電阻（或受拉應(yīng)變片），就要把限流臂換成一個負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（或受壓應(yīng)變片）R3；R1—R2仍然用普通電阻作為倍率臂，假設(shè)R3、R4的溫度系數(shù)（或應(yīng)變響應(yīng)系數(shù)）值相等，符號相反，R3、R4的體積足夠小，在被測溫度場中的安放位置足夠靠近。當(dāng)該點上的溫度變化時，一個熱敏電阻（例如R4）的阻值增大△R，另一個熱敏電阻（例如R3）的阻值恰好減小△R，形成此漲彼落、一進一退、絲絲入扣的差動機制，這樣就可*消除純電阻橋的固有非線性，使系統(tǒng)誤差降低為零，獲得*的線性度，兼得了較高的靈敏度。該電路的線性區(qū)間開始于R4為零、R3為大的狀態(tài)，結(jié)束于R4為大、R3為零的狀態(tài)，囊括了理論上所有可能的狀態(tài)（但這些狀態(tài)在實踐中不全出現(xiàn)，例如熱敏電阻的阻值不可能小到零）。

根據(jù)同樣的道理可以設(shè)計四敏感臂電路，見后文圖14。倍率臂也接上了傳感元件，R1與R4性質(zhì)相同（例如正溫度系數(shù)），R2與R3性質(zhì)相同（例如負(fù)溫度系數(shù)）。原來的倍率微調(diào)電位器支路仍然保留，用來調(diào)節(jié)零點。

這類電路的缺點是對傳感元件的要求苛刻，實際選配互補元件時，很難保證兩個元件的*性，即便*了，安放位置不好也會偏離差動狀態(tài)，引進人為誤差。

5.2用恒流源作為限流臂，矯正非線性

需要指出，把每個傳感元件做為一個獨立的信息源是合理也是方便的使用方式；上

文要求2個或4個傳感元件互補配對（溫度系數(shù)嚴(yán)格等值反號）、縮小體積后做為一個獨立的信息源，雖然體現(xiàn)了一種思維技巧，但同時增加了技術(shù)難度。配對元件不可能互補，因而非線性只能被部分消除；元件體積不可能足夠小，因而只能是以兩點溫度的平均值近似代替一點的溫度，無形中引入了新的系統(tǒng)誤差。對比之下，用恒流源IH做限流臂，是一個比較合理和有效的辦法，見圖6、圖7，操作者順時針轉(zhuǎn)動圖1面板下排第3孔位的“限流臂選擇”開關(guān)到第5檔，就可以將IH聯(lián)接到限流臂的位置上去。恒流源IH給傳感元件R4提供電流，傳感元件R4是恒流源IH的負(fù)載電阻。IH自身也有一個等效電阻，也記作R3。IH是一個0.4mA～10mA連續(xù)可調(diào)的高精度恒流源，當(dāng)調(diào)定某個恒定電流值以后，IH的等效電阻值R3不會是恒定不變的，而是可以隨著負(fù)載電阻R4變大變小的。當(dāng)R4因溫度升高而增大△R時，IH的等效電阻值R3隨之減小一個等量△R；由于電流IH是不變的，故R4上的壓降有一個增量

△U=IH△R                                        （3）2

恒流源IH（的內(nèi)阻R3）上的壓降隨之減小一個等量△U=IH△R。IH及其內(nèi)阻R3雖然沒有直接去感測溫度（或其它物理量），但R3卻象一面特殊的鏡子，能夠準(zhǔn)確跟隨傳感元件R4做差動變化，此漲彼落、一進一退、絲絲入扣。由此看來，恒流源IH與傳感元件R4是一雙理想的互補配對元件。它的互補差動性能已近乎理想，比2個傳感元件組成的半橋或4個傳感元件組成的全橋都要準(zhǔn)確可信。它的線性區(qū)間，經(jīng)過合理設(shè)計會比純阻臂的線性區(qū)間寬得多。

在討論線性區(qū)間之前，先設(shè)恒流源IH內(nèi)阻R3的初始值是R30，傳感元件R4的初始值是R40?？梢粤?em>R30=R40，也就是令零點調(diào)節(jié)臂滿足R11=R22。在工程實踐中，要求該線性區(qū)間的負(fù)端（即傳感元件阻值不斷減小的區(qū)間）具有100％×R40的寬度是沒有問題的，只要傳感元件的阻值R4減小到零，電子恒流源的等效電阻值R3必然會隨之增大，準(zhǔn)確地跟進到R3=R30＋R40，何況真實的傳感元件其阻值總不會減小到零，這就保證了非平衡電橋在負(fù)端肯定不會出現(xiàn)非線性。至于該線性區(qū)間的正端（即傳感元件阻值R4不斷增大的區(qū)間），當(dāng)R4增大到R4=R40＋R30時，要求恒流源IH的內(nèi)阻R3減退到零，才能保證線性區(qū)間的正端也擁有100％×R40的寬度。但是電子恒流源總會存在零點幾到幾伏的飽和壓降，壓降除以恒流值就是它的小等效電阻值，該值是不會為零的，從而可知線性區(qū)間正端的寬度不能保證100％×R40，但所欠不多。請注意導(dǎo)致此結(jié)論的前提是R30=R40，R11=R22。為此將前提修改為R30= 1.3×R40，R11= 1.3×R22。多出0.3倍的寬度足夠容納恒流源IH的飽和壓降，使線性區(qū)間的正端寬度也能達到100％×R40。此時線性區(qū)間的負(fù)端寬度成為130％×R40，總體寬度就是230％×R40。在一般情況下，按照R30=R40，R11=R22設(shè)置的線性區(qū)間寬度已經(jīng)足夠用了。

還要強調(diào)一點，本方法是用來消除非平衡電橋自身的非線性，使UG盡可能成比例地反映敏感元件的阻值變化。至于敏感元件的阻值變化是否能成比例地反映被測量（溫度、壓力等）的變化，那是屬于敏感元件的非線性，是后續(xù)課程要解決的問題。不要期望用本方法去消除敏感元件對被測量的非線性響應(yīng)。