惠斯登电桥原理.doc

惠斯登电桥的原理与应用 大学物理基础性实验 乐山电大 幸荣安 【摘要】惠斯登电桥是大学物理基础性实验之一。教学辅导中发现，在理工科中，不同专业的学员，对惠斯登电桥原理的学习要求各不相同，有的专业学员对惠斯登电桥原理只作一般性了解和使用；而电子工程技术类的学员则作一般性了解和使用外，还要求对每一个原理在其它项目中的应用。本文对惠斯登电桥原理作了一般性的论证分析外，还对对惠斯登电桥原理在温度控制技术作了入门式讨论分析。 【关键词】惠斯登电桥 交换测量法 热敏电阻 这里介紹一种測量电阻值大小的方法，這种方法称为惠斯登电桥測量法。它的特別之处，是在于精确、精細，几乎省去人在判读時所形成的誤差。並且由于它的精細，我們要用它去測量电阻阻值和測量电阻随温度变化的情形，也就是电阻的温度系数。究竟惠斯登电桥是如何能够达到精确、精細的功能？以下就来了解它的原理。一、 惠斯登电桥（平衡电桥）测电阻的原理. 惠斯登电桥原理图1中，接通电源，调节电桥平衡，即调节电桥四个“臂”R1、R2、R3、Rx，当检流计G的指针指零，B、D两点电位相等，则有 式称为比率k。箱式惠斯登电桥的比率K有0.001，0.01，0.1，1, 10，100，1000七档。根据待测电阻Rx大小选择K，调节R3使检流计G为零，由Rx = KR3 求出待测电阻Rx值。 电流计G 的 B、D两点电位 (7-2) (7-3) 由上式看出，当R1R3 = R2Rx时，电流计G 的 B、D两点电位差Uo=0，电桥处于平衡，这就是惠斯登电桥。二、 箱式惠斯登电桥的结构线路(以QJ23型箱式直流单臂电桥为例)图(a) 分析箱式惠斯登电桥的结构线路.提示: 当比率转换开关K连接到0.001的挡位时, R1代表一只电阻的值， 而R2代表7只电阻串联值.在不同的挡位时,R1 R2所代表的电阻串联值.各不相同.Rx:被测电阻接线柱R3:由四个可变电阻箱串联组成.每个可变电阻箱的挡位X1、X10、X100、X1000构成.箱式惠斯登电桥的操作法1.检流计的指针作调零处理. 2.确定待测量电阻的大致数值,在Rx被测电阻接线柱间接上被测量电阻. 3.根据被测量电阻的大小值选定比率转换开关K连接的挡位. 4.测量时用跃接法按下B和G按钮(按下后立即松开)，若指针偏向+方向.则增加R3的数值;若指针偏向-方向,则减小R3的数值,反复调节直至电桥平衡. 5.测量有感电阻(如电机、变压器等)时,应先接通B和后接通G按钮,断开时应先放开G再放开B. 6.使用完毕,必须断开B和G按钮,并且将检流计的联接片接在内接位置,也保护检流计.2箱式惠斯登电桥的结构(以QJ23型箱式直流单臂电桥为例)版面布置图. 图(B) 三、测量方法1. 在被测电阻位置接待测电阻Rx按惠斯登电桥的操作方法直接测量.2. 交换测量法: 当比率K不变,Rx和R3的位置相互交换,得到R3= KRx , R3是交换后电桥平衡的新值,将Rx=KR3和R3=KRx两式整理得 得到的结果与比率K系统无关，说明此法可以抵消系统误差的影响. 四、 惠斯登电桥原理在温度控制技术中的应用 惠斯登电桥原理的应用:惠斯登电桥可以测量电阻、电容、电感、温度、频率、及压力等许多物理量,同时广泛应用在自动控制技术中.3. 惠斯登电桥原理在温度控制技术中的应用若R1、R2、R3为固定电阻，Rx为热敏电阻,即随温度变化的电阻，Rx=R (t)。设室温t= t0时，Rx= Rx0，当温度t = t0+t时，Rx = Rx0+Rx，由（4-22-3）式求得电压Uo为： （7-4） 在室温t0时要预调平衡，即调节R1、R2和R3，使R1R3=R2Rx0，则（4-22-4）式变为： （7-5） 若Rx电阻变化很小，Rx R1、R2、R3，则（4-22-5）式分母中Rx项可以略去，（7-5）式变为： （7-6） 这个电压Uo是温度升高引起的，可以用这个电压Uo去控制温度调控设备。五、 惠斯登电桥各桥臂之间的三种典型情况，下面分别进行分析讨论： 等臂电桥：R1=R2=R3=Rx0 ，（7-6）式变为： (7-7) 输出对称电桥（电流计端等臂），也称卧式电桥：当R1=Rx0，R2=R3，且R1R3，（7-6）式变为： (7-8) 电源对称电桥（电源端等臂），也称为立式电桥：当R1=R2，R3=Rx0，且R1R3，（4-22-6）式变为： （7-9） 由上三式可以看出，当Rx R1、R2、R3 时，三种电桥的输出电压Uo均与成线性关系. 若Rx0、Rx相同情况下，等臂电桥、卧式电桥输出电压Uo比立式电桥输出电压Uo高，故灵敏度也高；而立式电桥测量范围大，从（7-9）式中的 (7-10) 项看出可以通过选择R1、R3来扩大测量范围，R1、R3差距越大，Rx测量范围也越大。而测量电压Uo后，计算出Rx，从而求得Rx= Rx0+Rx 。 六、思考题 1、了解惠斯登电桥的原理和桥式电路的特点； 2、学会使用电桥测电阻的方法； 3、学会消除系统误差的一种方法-交换测量法 4平衡电桥与非平衡电桥有哪些不同？5什么时候用平衡电桥测电阻较好，什么时候用非平衡电桥测电阻较好？6非平衡电桥中立式桥为什么比卧式桥测量范围大？ 7若用惠斯登平衡