论文总字数：15563字

摘 要

伴随着科技突飞猛进的进步，金属材料已经深入到了人类生活的各个方面，给予了人类的生产生活很多不可代替的帮助，而人类对于金属材料的了解越深刻，这种帮助的作用就可以不断地被放大，其中金属的温度系数就是金属一个非常重要的特性，本文致力于可以对金属的温度系数进行快速和高精度的测量，从而推动人类对于金属的认知，并将使其性能得到最大化的利用，本篇论文将详细介绍电桥和电桥在测量温度系数上的应用，并以铜金属丝和镍铬金属丝为例，精确快速测量它们的电阻关于温度的变化，从而加深对电桥的认知，以及对测量电阻温度系数方法的理解，通过得到的数据，展望快速高精度测量电阻温度系数在未来的发展前景，本设计中为了消除系统误差，我们选择在非平衡态下的直流单臂电桥——惠斯通电桥，舍弃了传统的直流电桥近似方程，采用了原始方程，并采用自制的可控加热装置——PI加热膜和温度计，实现对温度较为精准的控制，并基于软件Origin，对实验数据进行拟合，从而进一步提高了实验的精确度。概括而言，利用惠斯通电桥和自制的可控加热装置有机结合，在一定程度实现对于金属丝电阻温度系数的准确测量。

关键词：电桥 惠斯通电桥 铜金属丝 镍铬金属丝 可控加热装置

Fast and High Precision Measurement of Temperature Coefficient of Metal Wire Resistance

Abstract

With the rapid progress of science and technology, metal materials have penetrated into all aspects of human life, giving humankind a lot of irreplaceable help in production and life, and the deeper human understanding of metal materials, the role of this help can be continuously Zoom in, in which the temperature coefficient of metal is a very important characteristic of metal Using this article, this paper will introduce in detail the application of electric bridges and electric bridges in measuring the temperature coefficient, and take copper wires and nickel-chromium wires as examples to accurately and quickly measure their resistance changes with respect to temperature, thereby deepening the bridge Cognition and understanding of the method of measuring the temperature coefficient of resistance, through the data obtained, look forward to the future development prospects of rapid and high-precision measurement of the temperature coefficient of resistance. In this design, in order to eliminate system errors, we choose the DC under non-equilibrium state Single-arm bridge-Wheatstone bridge, abandoning the traditional DC bridge approximation equation, using the original equation, and using a self-controllable heating device-PI heating film and thermometer, to achieve more precise temperature control, and Based on the software Origin, the experimental data is fitted to further improve the accuracy of the experiment. In summary, the combination of Wheatstone bridge and self-made controllable heating device can achieve accurate measurement of the temperature coefficient of wire resistance to a certain extent.

Keywords: Electric bridge ;Wheatstone electric bridge ;Copper metal wire ;Nickel-chromium metal wire ;Controllable heating device.

目 录

目录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 背景介绍 1

1.1 电桥的发展历史 1

1.2 电桥的种类 1

1.2.1 单臂电桥 2

1.2.2 双臂电桥 4

1.3 电桥的应用 5

1.4 金属丝电阻随温度变化的含义 6

1.5 目前测量金属丝电阻随温度变化的方法及其优缺点 6

1.6 采用电桥精确测量金属丝电阻随温度的变化关系及原理 9

第二章 采用电桥法测量铜丝电阻随温度的变化关系 12

2.1 测量铜丝电阻随温度变化的必要性 12

2.2 采用电桥的原理 12

2.3 测量数据与结果 13

2.4 数据分析 14

2.5 小结 14

第三章 采用电桥法测量镍铬丝电阻随温度的变化关系 15

3.1 测量镍铬丝电阻随温度变化的必要性 15

3.2 采用电桥的原理 15

3.3 测量数据与结果 16

3.4 数据分析 16

3.5 小结 17

第四章 总结和展望 18

4.1 总结 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致谢 21

第一章 背景介绍

1.1 电桥的发展历史

所谓电桥，顾名思义采用了桥式电路，是一种常见的测量物理量的精密仪器。由四条支路（也可以称之为桥臂）组成的封闭回路（桥体）再加上辅助设备构成，这就是最简单的电桥。在一八三三年最先由S.H.克里斯蒂发明了桥式电路。在当时的年代，只把2个相连的对角顶点所在的支路叫做电桥，随着时间的推移，整个完整的线路电路就被叫做电桥了。随着电桥复杂程度的提高，桥臂的个数也会随之变多，电桥常见的运行方式有两种。第一种叫做平衡方式：用于测量的仪表的支路两边没有电压差，且没有电流通过检测仪器。由于这个原因，可以称检测仪表为指零仪表。当一个桥臂为待测元器件时，其它的每个桥臂都是由已知的标准元件构成，所以当整个电路处于平衡状态时，被测元器件的参数量值就可以直接读出来或者计算出来。像这种电桥工作在平衡状态，有一个很大的优势就是待测的结果和电源电压的大小和起伏是没有关系的，所以就非常适合一些对精度要求比较高的情况，第二种叫做不平衡方式：在检测仪表的支路两端存在一定的电位差，而且该支路上的电流不是0，就可以发现检测仪表的示数和待测的物理量存在着确定的关系，这种方法在一些方面非常合适，比如非电量的电测量，在一些制造过程中用于测量电路元件的量值。包括测量直流电阻、交流电感、交流电容、交流电阻等）、变化量也是电桥的主要功能，可以转变为电参数的非电量也可以用电桥来测量。用于测电阻的直流电桥是最先出现的，惠斯通电桥就是最为典型的一个代表，也是我们这片论文的主角，在接下来的时代，随着交流元件的诞生，为了测量其参数，衍生出了各种各样、用途方向各不相同的的交流电桥。到二十世纪中叶，上述电桥中的相当一部分都被时代所抛弃，应运而生了一些新型的电桥，比如说，因为计算电容器的需要而不断发展进步的具有高准确度的感应耦合比例臂电桥，上个世纪五十年代以后，微计算机得到了蓬勃发展，半导体技术异军突起，所以在测量仪表领域电子器件和数字技术得到了非常好的应用，所以就产生了有源电桥、数字电桥以及智能化电桥等^[1]。

1.2 电桥的种类

电桥自诞生以来，不断地衍生发展出了很多不同的种类，应用在了很多不同的方面，从电流的性质进行划分，电桥可以分为两种，第一种是直流电桥，直流电桥的主要功能是测量电阻的阻值，直流电桥可以根据其结构的不同可以分为两种，第一种叫做单臂电桥，其中典型例子就是惠斯通电桥，可以用来测量阻值在10～10⁶ Ω的中值电阻；第二种叫做双臂电桥，开尔文电桥就是双臂电桥的一个典型实例，广泛的应用在测量一欧姆以下的微小电阻。关于直流电桥我们将在后文详细介绍，在此就不赘述了。

第二种叫做交流电桥，交流电桥可以作为仪器单独使用,也可以和振荡、放大、指示等元器件结合,组成一个完整的测量仪器,得以测量电阻、自感、互感、电容或测量除此之外的一些参量，比如说电频率和介质损耗等。在作为自动调节、自动控制的部件方面，交流电桥也有一席之地。，直流电桥经过不断地演化，才有了早期的交流电桥。早期的交流电桥已经具有了电源，不同于现在，当时是音叉振荡器，而在电桥当中检测仪表并不是现在的检流计，电压表，而是一个和听筒相似的器件。到了1960年时，桥路的种类已经有几十种，用于不同的方向。上述的这种测量电桥，为了区别于现在的交流电桥，我们定义为经典交流电桥，在一段时间里普遍应用于科技之中。但是经典交流电桥的测量精度有些不尽人意，主要原因在于组成电桥的元器件的电参数量值本身的精度相对较低，1960年之后应用面就开始逐渐萎缩了。交流电源提供了对于交流电桥的供电，其中的两个桥臂主要作用是得出一个电压之比或电流之比，另外两个桥臂的阻抗就可以用这个电压比或者电流比进行比较。1950年左右，发明了根据电磁感应耦合臂供给电压之比或电流之比的交流电桥，定义为感应耦合比例臂电桥。测量准确度得到了质的提升。与此同时，电子技术的跨越式进步，让桥臂的构成有了新的选择——半导体器件，构成了有源电桥。数字技术在1970年代开始逐渐地进入到电磁测量领域，于是就有了数字电桥，不仅使读数更加的快速便捷，实现了数字化，还通过计算机技术进一步提高了电桥的操作方式。常用的交流电桥有电容电桥、麦克斯韦LC电桥、频率电桥等^[2]。

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