温度测量原理-惠斯通电桥.pdf

实验五 惠斯通电桥 实验目的 实验目的 1 掌握惠斯通电桥的原理 并通过它初步了解一般桥式线路的特点 2 学会使用惠斯通电桥测量电阻 实验仪器 实验仪器 QJ23型电桥 电阻箱 检流计 滑线变阻器 直流稳压电源等 实验原理 实验原理 前面我们介绍的伏安法测量电阻 其精度不够高 这一方面是由于线路本身存在缺 点 另一方面是由于电压表和电流表本身的精度有限 所以 为了精确测量电阻 必须对测 量线路加以改进 惠斯通电桥 也称单臂电桥 的电路 如图4 5 1所示 四个电阻R1 R2 Rb RX组成一个四边形的回路 每一边称作电 桥的 桥臂 在一对对角AD之间接入电 源 而在另一对角BC之间接入检流计 构 成所谓 桥路 所谓 桥 本身的意思就 是指这条对角线BC而言 它的作用就是把 桥 的两端点联系起来 从而将这两点的 电位直接进行比较 B C两点的电位相等 时称作电桥平衡 反之 称作电桥不平衡 检流计是为了检查电桥是否平衡而设的 平 衡时检流计无电流通过 用于指示电桥平衡 的仪器 除了检流计外 还有其它仪表 它们称为 示零器 当电桥平衡时 B和C两点的电位相等 故有 ACAB VV CDBD VV 4 5 1 由于平衡时0 g I 所以B C间相当于断路 故有 21 II bX II 4 5 2 所以 11R IRI XX 22R IRI bb 可得 Xb RRRR 21 4 5 3 或 bX R R R R 2 1 4 5 4 这个关系式是由 电桥平衡 推出的结论 反之 也可以由这个关系式推证出 电桥 平衡 来 因此 4 5 3 式称为电桥平衡条件 如果在四个电阻中的三个电阻值是已知的 即可利用 4 5 3 式求出另一个电阻的 图4 5 1 I R1R2 RXRb IbIX I1I2 Ig E G A B C D 阻值 这就是应用惠斯通电桥测量电阻 的原理 上述用惠斯通电桥测量电阻的方 法 也体现了一般桥式线路的特点 现 在重点说明它的几个主要优点 1 平衡电桥采用了示零法 根据示零器的 零 或 非零 的指 标 即可判断电桥是否平衡而不涉及数 值的大小 因此 只须示零器足够灵敏 就可以使电桥达到很高灵敏度 从而为 提高它的测量精度提供了条件 2 用平衡电桥测量电阻方法的 实质是拿已知的电阻和未知的电阻进行比较 这种比较测量法简单而精确 如果采用精确电 阻作为桥臂 可以使测量的结果达到很高的精确度 3 由于平衡条件与电源电压无关 故可避免因电压不稳定而造成的误差 仪器描述 仪器描述 箱式惠斯通电桥的基本特征是 在恒定比值R1 R2下 变动Rb的大小 使电桥达到平 衡 它的线路结构和滑线式电桥相似 它只是把各个仪表都装在木箱内 便于携带 因此叫 箱式电桥 其形式多样 现介绍QJ23型携带式直流单臂电桥 图4 5 2为其面板布置图 右边四个电阻是比较臂Rb 左上角是比例臂R1 R2 共分 七档 右下角两只接线柱是接待测电阻 左上角一对接线柱是外接电源用的 左下角三只接 线柱是用来接电流计的 当接线片把下面两接线柱相连时 是使用内部电流计 当接线片把 上面两接线柱相连时 内部电流计被短路 然后在下面两接线柱间外接电流计 中间下面两 个按扭分别是电源开关 B 电流计开关 G 使用时要注意 测量时应先按B后按G 断开时要先放开G后放开B 电流计上的旋扭是调节指针零点的 叫做机械调零器 实验内容 实验内容 1 用自组电桥测量电阻 用电阻箱连成桥路如图4 5 3所示 接到桥臂的导线应该比较短 与图4 5 1不同 之处在于增加了保护电阻Rh 开关Kg和Kb 开始操作时 电桥一般处在很不平衡的状态 为 图4 5 2 内 B G 外 GBRX 1000 0 001 1000 10 0 1 100 1 10 图4 5 3 G E Kb R2 R1 RXRb Rh Kg 了防止过大的电流通过检流计 应将Rh拔至最大 随着电桥逐步接近平衡 Rh也逐渐减小直 至零 为了保护检流计 开关的顺序应注意先合Kb 后合Kg 先断开Kg 后断开Kb 即电源 Kb要先合后断 在电桥接近平衡时 为了更好地判断检流计电流是否为零 应反复开合开关Kg 跃接 法 细心观察检流计指针是否有摆动 测量几十 几百 几千欧姆的电阻各一个 分别取R1 R2 500 500 及50 500 每 次更换RX前均要注意 1 增大Rh 2 切断Kg 2 用箱式电桥测量电阻 今用内接电源和内接检流计 1 将检流计指针调到零 2 接上被测电阻RX 估计被测电阻近似值 然后将比例臂旋钮转动到适当倍率 3 轻而快地先后按B G 一触即离 同时观察检流计指针的偏转方向 若指针向 右 即正向 表示Rb值太小 需增加 若指针向左 即负向 表示Rb值太大 需减小 这样 几次调节Rb 直至检流计无偏转为止 这时 RX 比例臂读数 比较臂读数之和 欧 4 重复上述步骤测量另外两个电阻 3 测量计算电桥的灵敏度 公式RX R1Rb R2是在电桥平衡的条件下推导出来的 而电桥是否平衡 实验上是看 检流计有无偏转来判断的 当我们认为电桥已达到平衡时Ig 0 而Ig不可能 绝对等于零 而仅是Ig小到无法用检流计检测而已 例如 有一惠斯通电桥上的检流计偏转 一格所对应的电流大约为10 6安培 当通过它的电流为10 7安培 指针偏转1 10格 我们 是可以察觉出来的 当通过它的电流小于10 7安培时 指针的偏转小于1 10格 我们就很 难察觉出来了 为了定量地表示检流计不够灵敏带来的误差 可引入电桥灵敏度Si的概念 它的定义是 X X i R R n S 4 5 5 RX是当电桥平衡后把RX改变一点的数量 而 n是因为RX改变了 RX电桥略失平衡引起的 检流计偏转格数 从误差来源看 只要仪器选择合适 用电桥测电阻可以达到很高的精度 在测灵敏度 时 由于RX是不可变的 故可以用改变Rb的办法来代替 计算表明 2 2 1 1 R R n R R n R R n R R n S b b X X i 可见 任意改变一臂测出的灵敏度 都是一样的 用箱式电桥测量三个待测电阻的电