预备实验5-直流单臂电桥(惠斯登电桥)

1、 基础物理预备实验5 直流单臂电桥（惠斯登桥）直流单臂电桥（惠斯登桥） 南开大学基础物理实验教学中心南开大学基础物理实验教学中心 基础物理实验室基础物理实验室引言 n用伏安法测电阻，受所用电表内阻的影响，在测量中往往引入方法误差；用欧姆表测量电阻虽较方便，但测量精度不高。在精确测量电阻时，常使用电桥进行测量。其测量方法同电位差计一样同属于比较测量法。n电桥不仅可以测量电阻，还可以测量许多与电阻有关的电学量和非电学量（把这类非电学量通过一定的手段转换为电学量进行测量），而且在自动控制技术中也得到了广泛的应用。n本实验所讨论的是直流单臂电桥。主要是用来测量中等阻值（10105）电阻的；测量低阻（1

2、010-5）用直流双臂电桥；测量高阻（1061012）则用专门的高阻电桥或冲击法等测量方法。实验目的 n1.掌握电桥测量电阻的原理和方法。n2.了解电桥的测量精确度所依赖的条件。n3.学会使用箱式电桥 实验原理n电阻的测量电阻的测量 直流单臂电桥的原理性电路如图所示。它是由四个电阻Ra、Rb、R0、RX联成一个四边形回路，这四个电阻称做电桥的四个“臂”。在这个四边形回路的一条对角线的顶点间接入直流工作电源，另一条对角线的顶点间接入检流计，这个支路一般称做“桥”。适当地调节R0值，可使C、D两点电位相同，检流计中无电流流过，这时称电桥达到了平衡 实验原理n在电桥平衡时有：nRaIa=RbIb R

3、XIX=R0I0 n且 Ia=IX, Ib=I0 n则上式整理可得：n为了计算方便，通常把Ra/Rb的比值选作成10n（n=0,1,2,）。令C=Ra/Rb，则：n RX=CR0n可见电桥平衡时,由已知的Ra、Rb（或C）及R0值便可算出RX。人们常把Ra、Rb称做比例臂，C为比例臂的倍率；R0称做比较臂；RX称做待测臂。 a0bRRXRR实验原理n测量精度的提高测量精度的提高 倍率倍率C的选取与测量精度的选取与测量精度 电桥由非平衡态达到平衡态的过程中，需要调节比较臂电阻R0。显然R0调节位数越多，对电桥的平衡调节得越精细，由此给测量带来的误差就越小。为此在测量时要恰当地选取倍率C，以使R0

4、调节的有效位数尽量多。例如本实验中R0是一只四钮电阻箱，调节范围为19999，最小调节量为1；待测电阻RX为1200左右。由RX=CR0可知，只有选取C=1时，R0的四个旋钮才都用上，使电桥的平衡精细到四位有效数字。若采用内插法精确判断平衡，可获得五位有效数字，（此例若选C=0.1，用这只电阻箱能把桥调平衡吗？若选C=10，R0可获得几位有效数字？）可见正确选取倍率C，可提高测量精度。 实验原理n测量精度的提高测量精度的提高电桥灵敏度与测量精度电桥灵敏度与测量精度n本实验中使用的AC5/型指针式检流计，其电流常数约为10-6A/格，当通过它的电流小于10-7A时，指针的偏转小于0.1格，我们很

5、难觉察出来，仍认为电桥处于平衡态，从而给测量带来误差。对此，我们引入电桥灵敏度的概念，定义为：n n 或 XXRRnS00RRnS式中R0是电桥平衡时的阻值；R0是在电桥平衡后R0的微小改变量；n是电桥偏离平衡而引起检流计偏转的格数 实验原理若忽略电源内阻，其表达式为：R)RR2()RK(REga0b0baXXRRRRS式中K、Rg分别为检流计的电流常数和内阻。由此式可见，适当提高电源电压E、选择电流常数K和内阻Rg适当小的灵敏检流计、适当减小桥臂电阻（Ra+Rb+R0+RX）、尽量把桥臂配置成均压状态（即四臂电压相等），使上式中的（2+值最小，这些对提高电桥灵敏度均有作用，但需根据具体情况灵

6、活运用 实验原理 此外，采取一定的测量方法，可以消除某些误差，提高测量精度。例如在自组单桥测电阻RX中，当选取倍率C=1进行测量时，可方便地采用换臂法完全消除倍率C的误差。参看图9.1，若电桥平衡时比较臂为，将Ra、Rb(或RX、R0)交换位置后，若电桥再次平衡比较臂为，待测电阻RX则为： 式中倍率C不见了，它的误差自然也就被消除了。为了消除桥路中温差电动势的影响，可采用电源正、反向各测一次RX，然后取平均的办法。)(210000RRRRRX 仪器用具仪器用具 nAC5/型指针式检流计，比例臂电阻四个（10，100，100，1000），电阻箱，甲电池二节，待测电阻两个，电键两个，滑线变阻器，微

7、安表头一只（量限200A,内阻700左右），QJ24型箱式直流电桥，数字繁用表。实验内容实验内容 n1. 自组单桥测未知电阻R1、R2，并测出电桥的灵敏度S1、S2。要根据R1（即RX）的粗知值（R1在1.2K左右，R2在50左右）正确选取倍率C，即Ra、Rb。 测量完毕，计算RX的不确定度时，除考虑桥臂误差c和0外，还应考虑到对电桥平衡的判断误差。由于人眼只能分辩出检流计0.1格的偏转量，故判断误差应为0.1/S，因此RX测量的总相对不确定度为：n n对于R1来说，可采用换臂法再测一次，比较两次测出的R1值。取平均以消除倍率误差。 2. 用QJ24型电桥测R1和R2，并与自组桥的测量结果相比

8、较，看看在误差范围内是否相吻合。 3用数字万用表电阻档测量电阻。 2202C)1 . 0(SX注意事项注意事项 n 1.联好电路复查无误、倍率C和比较臂R0的值均已选置好、保护电阻R处于保护状态（K1断开）才许试接电源进行实验。如接通电源瞬间检流计指针锰偏撞针或一点不动应即断电检查原因。n2.换测电阻时，一定要重新选置Ra、Rb和R0，预先使桥接近平衡，并且断开K1，使R处于保护状态。改换电路必须先断开电源。注意事项注意事项 n3.调节电桥平衡时，应采用接通一下检流计支路看看偏转大小，适当调节R0再接通一下检流计支路看看偏转大小的办法，不可使检流计在通电情况下调R0，以免损坏检流计或调节不精细

9、。在调R0时要根据检流计的偏转大小和方向有目的地从高位至低位顺次逼近调节，不应盲目乱调。考查题考查题 n 1.在用电桥测量电阻时恰当选取倍率C的目的何在?在实验中怎样判断C选得是否适当?n 2.影响RX测量精确度的因素有哪些?n 3.电源电压不太稳定是否影响测量的精确度?电源电压太低为什么影响测量精确度?n 4.若桥臂回路有导线不通，检流计偏转大或小？若检流计支路或电源支路不通，检流计偏转大或小？若C和R0预置不当，检流计偏转大或小？附附1：AC5/型指针式检流计简介nAC5/直流指针式检流计是一种磁电式电流表，它的电流线圈被张挂在两根细弹性金属丝之间，灵敏度较高（指针偏转一小格只需通A量级的电流）。AC5/型指针式检流计的俯视外形如图9.4所示。其中A为调零钮，B为小拨动钮，C为短路按钮，D为电计按钮。检流计不用时，将小拨动钮B拨至左边红点位置，以将检流计短路制动，保护检流计的安全。附附1：AC5/型指针式检流计简介n使用时将小拨动钮B拨至右边白点位置，利用调零钮A调好指针的机械零点，然后按下“电计”按钮，联接于线路中的检流计即可工作，否则检流计没有接通。若检流计断电后，指针来回摆动，而我们又需要它尽快停下来，可在指针经过“零”位置时，按几下“短路”按钮，检流计指针便停止摆动。这种制动原理将在灵敏检流计实验中