用惠斯登电桥测电阻.doc

用惠斯登电桥测电阻利用桥式电路制成的电桥是一种用比较法进行测量的精密仪器，它在电测技术中应用十分广泛，可以用来测量电阻、电容、电感、频率、温度、压力等许多物理量。电桥有多种类型，惠斯登电桥（单臂电桥）是其中的一种，它通常用来精确测量10108的中值电阻。一、 教学目的1 了解电桥测电阻的原理和特点。2 学会用自组电桥和箱式电桥测电阻的方法。3 测出若干个未知电阻的阻值。二、 教学要求1 本实验三小时完成。2 了解桥式电路的结构特点，掌握电桥测电阻的原理。3 掌握用直流单臂电桥（惠斯登电桥）测电阻的方法。4 掌握电路联接和排除简单线路故障的技能。5 学会部分基本电学仪器的使用（如滑线变阻器、电阻箱、检流计等）。6 课后对测量结果进行正确的误差分析，算出测量不确定度，给出测量结果，写实验报告。三、 教学重点和难点1 桥式电路的结构特点，电桥测电阻的原理，电桥平衡的条件。2 电桥的灵敏度，检流计的保护，简单线路故障的排除。四、 讲解内容1 桥式电路的基本结构。 电桥的构成包括四个桥臂（比例臂R1和R2，比较臂Rs，待测臂Rx），“桥”平衡指示器（检流计）G和工作电源E。在自组电桥线路中还联接有电桥灵敏度调节器Rn（滑线变阻器）。2 自组电桥的接线要领。 根据线路图按回路对点接线，电桥线路可大致分为三步联接。首先将四个桥臂联成一个回路，然后在一对角线上的两点（R1与R2的联接点和Rs与Rx的联接点）之间接电源、开关和滑线变阻器；在另一对角线上的两点（R1与Rx的联接点和R2与Rs的联接点）之间接入检流计和带保护电阻R的闸刀。3 正确调节自组电桥平衡的方法。 调节电桥平衡应遵循先粗后细的原则。粗调时先将Rn调至最大，将带保护电阻R的闸刀断开，调Rs为某值Rs1，检流计指针偏向一边，当调Rs为另一值Rs2时，指针偏向另一边，显然要使指针不偏转（指零），Rs的值必定在Rs1与Rs2之间。据此，采用逼近法逐渐缩小Rs1与Rs2的差值，直到调至准确的Rs值，使检流计指针指零；细调时，则需将Rn调至最小，将保护电阻R短路（合上闸刀），微调Rs使检流计再次指零，此时电桥达到平衡。4 电桥平衡的条件。 电桥平衡时，检流计没有电流通过，B点与D点电压相等VB=VD，即有： I1R1=I2R2 I1Rx=I2Rs 联立解得： 式中： 为比例系数（也称倍率）。由此可知，电桥平衡时（桥上无电流通过），两个相对桥臂电阻值的乘积相等，此比例关系式即为电桥的平衡条件。由平衡条件可见电桥的平衡与工作电流无关，用电桥测电阻，待测阻值只需通过三个标准电阻的阻值便可求得。这一过程相当于把Rx与标准电阻相比较，因而测量具有很高的准确度。这也是电桥测电阻的基本原理比较法测电阻。5 自组电桥不等臂误差的消除。 实验中自组电桥的比例臂（R1和R2）电阻并非标准电阻，存在较大误差。当取Kr=1时，实际上R1与R2不完全相等，存在较大的不等臂误差，为消除该系统误差，实验可采用交换测量法进行。先按原线路进行测量得到一个Rs值，然后将R1与R2的位置互相交换（也可将Rx与Rs的位置交换），按同样方法再测一次得到一个Rs值，两次测量，电桥平衡后分别有： 联立两式得： 由上式可知：交换测量后得到的测量值与比例臂阻值无关。6 正确使用箱式电桥。 本实验使用的是QJ23型电桥，仪器自带工作电源和检流计实验时不需外接（电源和检流计）。 测量时先将短路金属片由“内接”位置换接至“外接”位置，再根据待测电阻的粗测值（用万用电表粗测）选取恰当的比例系数（倍率）Kr，选取的原则是在测量时应将Rs的各个刻度盘都用上，保证测量值有足够的有效数字。 仪器面板上标有B、G字母的按钮，分别表示电源和检流计开关，使用时应断续接通。接通时应先按B钮（先接通电源），再按G钮（后接通检流计）；断开时则应先断G钮（先断开检流计），再断开B钮（后断开电源）。测量完毕后应将短路金属片重新换接至“内接”位置上。要严格遵守此操作程序，否则，极易损坏检流计。7 电桥灵敏度的定义。 在已平衡的电桥内，若比较臂电阻Rs改变Rs时，检流计指针偏离平衡位置的读数为n格，则定义电桥灵敏度为： 显然，电桥灵敏度S越大，则当比较臂电阻改变单位值时，检流计指针偏转也越大，对电桥平衡的判断也越容易，测量结果也就越准确。8 提高电桥灵敏度的途径。 通过对电桥灵敏度定义式的数学推导（不在实验教学范围内，略去），可以得到下列结论： 在不超过桥臂电阻额定功率的情况下,增加电源电压可提高电桥灵敏度。 选用灵敏度较高的检流计可提高电桥灵敏度（但要注意检流计灵敏度不可过高，否则，测量将会很不方便）。9 测量中检流计的保护。 检流计作为平衡指示器，其允许通过的电流非常小，因此在实验过程中特别强调保护检流计。用自组电桥测量时，应根据待测电阻Rx值，调Rs与Rx近似，调节电桥平衡时，要遵循先粗后细的原则，粗测时，先将Rn调至最大，在电桥支路上串入高阻R减小通过检流计的电流；初步平衡后，再将Rn调至最小，并将R短接进行细测。用箱式电桥测量时，应根据待测电阻Rx的值，选取适当的倍率Kr，并调Rs与Rx近似，调平衡时，严格执行先接通B（电源），后接通G（检流计）；先断开G，后断B的操作程序，实验完毕后应及时将“内接”短路。10自组电桥线路中Rn的作用。滑线变阻器（Rn）作为限流器串接于电源回路中，不仅用于调节桥臂电流的大小，而且还对电桥灵敏度起着调节作用。粗测时，将其阻值调至最大，使桥臂电流减小，降低电桥灵敏度；细测时，将其阻值调至最小，使桥臂电流增大，提高电桥灵敏度。五、 简单线路故障的原因和排除实验中出现故障是不可避免的正常情况，对于仪器故障，需由专门人员进行排除；常见简单线路故障的排除则是大学生必须掌握的基本技能。用自组电桥测电阻，实验过程可能出现的故障有：1 检流计指针不偏转（排除检流计损坏的可能性）。这种情况的出现，说明桥（检流计）支路没有电流通过，其原因可能是电源回路不通，或者是桥支路不通。检查故障的方法是先用万用电表检查电源有无输出，然后接通回路，再检查电源与桥臂的两个联接点之间有无电压，最后分别检查桥支路上的导线、开关是否完好（注意检流计不能直接用万用电表电阻档检查）。如果仍未查出原因，则故障必定是四个桥臂中相邻的两相桥臂同时断开。查出故障后，采取相应措施排除（如更换导线、开关、电阻等）。2 检流计指针偏向一边。出现这种情况，原因有三种：原因之一，比例系数（倍率）Kr取值不当，改变Kr的取值，故障即便消失。不论Kr和Rs取何值，检流计指针始终偏向一边，则有：原因之二，四个桥臂中必定有一个桥臂断开；原因之三，四个桥臂中某两个相对的桥臂同时断开。对于后两种原因引起的故障，只需用一根完好的导线便可检查确定。检查时，首先将Rn调至最大，减小桥臂电流。然后用一根导线将四个桥臂中任一桥臂短路，若检流计指针反向偏转，则说明被短路的桥臂是断开的