用惠斯登電橋測(cè)電阻

1、用惠斯登電橋測(cè)電阻利用橋式電路制成的電橋是一種用比較法進(jìn)行測(cè)量的精密儀器，它在電測(cè)技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛，可以用來(lái)測(cè)量電阻、電容、電感、頻率、溫度、壓力等許多物理量。電橋有多種類型，惠斯登電橋（單臂電橋）是其中的一種，它通常用來(lái)精確測(cè)量10108的中值電阻。一、 教學(xué)目的1 了解電橋測(cè)電阻的原理和特點(diǎn)。2 學(xué)會(huì)用自組電橋和箱式電橋測(cè)電阻的方法。3 測(cè)出若干個(gè)未知電阻的阻值。二、 教學(xué)要求1 本實(shí)驗(yàn)三小時(shí)完成。2 了解橋式電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握電橋測(cè)電阻的原理。3 掌握用直流單臂電橋（惠斯登電橋）測(cè)電阻的方法。4 掌握電路聯(lián)接和排除簡(jiǎn)單線路故障的技能。5 學(xué)會(huì)部分基本電學(xué)儀器的使用（如滑線變阻器、電阻

2、箱、檢流計(jì)等）。6 課后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行正確的誤差分析，算出測(cè)量不確定度，給出測(cè)量結(jié)果，寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。三、 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1 橋式電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電橋測(cè)電阻的原理，電橋平衡的條件。2 電橋的靈敏度，檢流計(jì)的保護(hù)，簡(jiǎn)單線路故障的排除。四、 講解內(nèi)容1 橋式電路的基本結(jié)構(gòu)。 電橋的構(gòu)成包括四個(gè)橋臂（比例臂R1和R2，比較臂Rs，待測(cè)臂Rx），“橋”平衡指示器（檢流計(jì)）G和工作電源E。在自組電橋線路中還聯(lián)接有電橋靈敏度調(diào)節(jié)器Rn（滑線變阻器）。2 自組電橋的接線要領(lǐng)。 根據(jù)線路圖按回路對(duì)點(diǎn)接線，電橋線路可大致分為三步聯(lián)接。首先將四個(gè)橋臂聯(lián)成一個(gè)回路，然后在一對(duì)角線上的兩點(diǎn)（R1與R2的聯(lián)接點(diǎn)和Rs與Rx

3、的聯(lián)接點(diǎn)）之間接電源、開(kāi)關(guān)和滑線變阻器；在另一對(duì)角線上的兩點(diǎn)（R1與Rx的聯(lián)接點(diǎn)和R2與Rs的聯(lián)接點(diǎn)）之間接入檢流計(jì)和帶保護(hù)電阻R的閘刀。3 正確調(diào)節(jié)自組電橋平衡的方法。 調(diào)節(jié)電橋平衡應(yīng)遵循先粗后細(xì)的原則。粗調(diào)時(shí)先將Rn調(diào)至最大，將帶保護(hù)電阻R的閘刀斷開(kāi)，調(diào)Rs為某值Rs1，檢流計(jì)指針偏向一邊，當(dāng)調(diào)Rs為另一值Rs2時(shí)，指針偏向另一邊，顯然要使指針不偏轉(zhuǎn)（指零），Rs的值必定在Rs1與Rs2之間。據(jù)此，采用逼近法逐漸縮小Rs1與Rs2的差值，直到調(diào)至準(zhǔn)確的Rs值，使檢流計(jì)指針指零；細(xì)調(diào)時(shí)，則需將Rn調(diào)至最小，將保護(hù)電阻R短路（合上閘刀），微調(diào)Rs使檢流計(jì)再次指零，此時(shí)電橋達(dá)到平衡。4 電橋平衡

4、的條件。 電橋平衡時(shí)，檢流計(jì)沒(méi)有電流通過(guò)，B點(diǎn)與D點(diǎn)電壓相等VB=VD，即有： I1R1=I2R2 I1Rx=I2Rs 聯(lián)立解得： 式中： 為比例系數(shù)（也稱倍率）。由此可知，電橋平衡時(shí)（橋上無(wú)電流通過(guò)），兩個(gè)相對(duì)橋臂電阻值的乘積相等，此比例關(guān)系式即為電橋的平衡條件。由平衡條件可見(jiàn)電橋的平衡與工作電流無(wú)關(guān)，用電橋測(cè)電阻，待測(cè)阻值只需通過(guò)三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值便可求得。這一過(guò)程相當(dāng)于把Rx與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較，因而測(cè)量具有很高的準(zhǔn)確度。這也是電橋測(cè)電阻的基本原理比較法測(cè)電阻。5 自組電橋不等臂誤差的消除。 實(shí)驗(yàn)中自組電橋的比例臂（R1和R2）電阻并非標(biāo)準(zhǔn)電阻，存在較大誤差。當(dāng)取Kr=1時(shí)，實(shí)際上R1與R2

5、不完全相等，存在較大的不等臂誤差，為消除該系統(tǒng)誤差，實(shí)驗(yàn)可采用交換測(cè)量法進(jìn)行。先按原線路進(jìn)行測(cè)量得到一個(gè)Rs值，然后將R1與R2的位置互相交換（也可將Rx與Rs的位置交換），按同樣方法再測(cè)一次得到一個(gè)Rs值，兩次測(cè)量，電橋平衡后分別有： 聯(lián)立兩式得： 由上式可知：交換測(cè)量后得到的測(cè)量值與比例臂阻值無(wú)關(guān)。6 正確使用箱式電橋。 本實(shí)驗(yàn)使用的是QJ23型電橋，儀器自帶工作電源和檢流計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不需外接（電源和檢流計(jì)）。 測(cè)量時(shí)先將短路金屬片由“內(nèi)接”位置換接至“外接”位置，再根據(jù)待測(cè)電阻的粗測(cè)值（用萬(wàn)用電表粗測(cè)）選取恰當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)（倍率）Kr，選取的原則是在測(cè)量時(shí)應(yīng)將Rs的各個(gè)刻度盤都用上，保證測(cè)量值

6、有足夠的有效數(shù)字。 儀器面板上標(biāo)有B、G字母的按鈕，分別表示電源和檢流計(jì)開(kāi)關(guān)，使用時(shí)應(yīng)斷續(xù)接通。接通時(shí)應(yīng)先按B鈕（先接通電源），再按G鈕（后接通檢流計(jì)）；斷開(kāi)時(shí)則應(yīng)先斷G鈕（先斷開(kāi)檢流計(jì)），再斷開(kāi)B鈕（后斷開(kāi)電源）。測(cè)量完畢后應(yīng)將短路金屬片重新?lián)Q接至“內(nèi)接”位置上。要嚴(yán)格遵守此操作程序，否則，極易損壞檢流計(jì)。7 電橋靈敏度的定義。 在已平衡的電橋內(nèi)，若比較臂電阻Rs改變Rs時(shí)，檢流計(jì)指針偏離平衡位置的讀數(shù)為n格，則定義電橋靈敏度為： 顯然，電橋靈敏度S越大，則當(dāng)比較臂電阻改變單位值時(shí)，檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)也越大，對(duì)電橋平衡的判斷也越容易，測(cè)量結(jié)果也就越準(zhǔn)確。8 提高電橋靈敏度的途徑。 通過(guò)對(duì)電橋靈敏

7、度定義式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)（不在實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍內(nèi)，略去），可以得到下列結(jié)論： 在不超過(guò)橋臂電阻額定功率的情況下,增加電源電壓可提高電橋靈敏度。 選用靈敏度較高的檢流計(jì)可提高電橋靈敏度（但要注意檢流計(jì)靈敏度不可過(guò)高，否則，測(cè)量將會(huì)很不方便）。9 測(cè)量中檢流計(jì)的保護(hù)。 檢流計(jì)作為平衡指示器，其允許通過(guò)的電流非常小，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中特別強(qiáng)調(diào)保護(hù)檢流計(jì)。用自組電橋測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)待測(cè)電阻Rx值，調(diào)Rs與Rx近似，調(diào)節(jié)電橋平衡時(shí)，要遵循先粗后細(xì)的原則，粗測(cè)時(shí)，先將Rn調(diào)至最大，在電橋支路上串入高阻R減小通過(guò)檢流計(jì)的電流；初步平衡后，再將Rn調(diào)至最小，并將R短接進(jìn)行細(xì)測(cè)。用箱式電橋測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)待測(cè)電阻Rx的值，選取

8、適當(dāng)?shù)谋堵蔏r，并調(diào)Rs與Rx近似，調(diào)平衡時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行先接通B（電源），后接通G（檢流計(jì)）；先斷開(kāi)G，后斷B的操作程序，實(shí)驗(yàn)完畢后應(yīng)及時(shí)將“內(nèi)接”短路。10自組電橋線路中Rn的作用?；€變阻器（Rn）作為限流器串接于電源回路中，不僅用于調(diào)節(jié)橋臂電流的大小，而且還對(duì)電橋靈敏度起著調(diào)節(jié)作用。粗測(cè)時(shí)，將其阻值調(diào)至最大，使橋臂電流減小，降低電橋靈敏度；細(xì)測(cè)時(shí)，將其阻值調(diào)至最小，使橋臂電流增大，提高電橋靈敏度。五、 簡(jiǎn)單線路故障的原因和排除實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)故障是不可避免的正常情況，對(duì)于儀器故障，需由專門人員進(jìn)行排除；常見(jiàn)簡(jiǎn)單線路故障的排除則是大學(xué)生必須掌握的基本技能。用自組電橋測(cè)電阻，實(shí)驗(yàn)過(guò)程可能出現(xiàn)的故障有

9、：1 檢流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)（排除檢流計(jì)損壞的可能性）。這種情況的出現(xiàn)，說(shuō)明橋（檢流計(jì)）支路沒(méi)有電流通過(guò)，其原因可能是電源回路不通，或者是橋支路不通。檢查故障的方法是先用萬(wàn)用電表檢查電源有無(wú)輸出，然后接通回路，再檢查電源與橋臂的兩個(gè)聯(lián)接點(diǎn)之間有無(wú)電壓，最后分別檢查橋支路上的導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)是否完好（注意檢流計(jì)不能直接用萬(wàn)用電表電阻檔檢查）。如果仍未查出原因，則故障必定是四個(gè)橋臂中相鄰的兩相橋臂同時(shí)斷開(kāi)。查出故障后，采取相應(yīng)措施排除（如更換導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、電阻等）。2 檢流計(jì)指針偏向一邊。出現(xiàn)這種情況，原因有三種：原因之一，比例系數(shù)（倍率）Kr取值不當(dāng)，改變Kr的取值，故障即便消失。不論Kr和Rs取何值，檢流計(jì)指針始終偏向一邊，則有：原因之二，四個(gè)橋臂中必定有一個(gè)橋臂斷開(kāi)；原因之三，四個(gè)橋臂中某兩個(gè)相對(duì)的橋臂同時(shí)斷開(kāi)。對(duì)于后兩種原因引起的故障，只需用一根完好的導(dǎo)線便可檢查確定。檢查時(shí)，首先將Rn調(diào)至最大，減小橋臂電流。然后用一根導(dǎo)線將四個(gè)橋臂中任一橋臂短路，若檢流計(jì)指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)，則說(shuō)明被短路的橋臂是斷開(kāi)的，可用此導(dǎo)線替換原導(dǎo)線，檢