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惠斯登电桥测电阻
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实验6用惠斯登电桥测电阻
电桥测量法是常用的电阻测量方法之一。平衡电桥是用比较法进行测量的,即在平衡条件下,将待测电阻与标准电阻进行比较以确定其阻值。它具有测试灵敏、精确和方便等特点。电桥电路在自动化仪器和自动控制过程中有许多用途。
电桥分为直流电桥和交流电桥两大类。直流电桥又分为单臂电桥和双臂电桥,前者又称惠斯登电桥,主要用于精确测量中值电阻,后者又称凯尔文电桥,适用于测量低值电阻。交流电桥还可以测量电容、电感等物理量。本实验仅限于介绍测量中值电阻(10?~100k?)的单臂电桥。
[实验目的]
1.理解并掌握用电桥电路测定电阻的原理和方法。
2.学会自搭电桥,并学习用交换(互易)法减小和修正系统误差。
3.学习使用箱式惠斯登电桥测中值电阻。
[实验原理]
电桥电路的基本原理
要测量未知电阻Rx,可用伏安法。即测出流过该电阻的电流I和它两端的电压U,利用欧姆定律得出Rx值。但是,用这种方法测量,由于电表内阻的影响,无论采用图6-1(a)或(b)所示的哪一种接法,都不能同时测得准确的I和U值,即有系统误差存在。矛盾的焦点是电表有内阻,表内有电流流过。如何使表内无电流流过,而又能把Rx的阻值测正确?显然用图6-1是不能实现的!要设计新的电路。一个卓有成效的电路就是如图6-2所示的电桥电路。其基本组成部分是:桥臂(四个电阻RA,RB,Rs和Rx),“桥”——平衡指示器(检流计G)以及工作电源(E)和开关(K)。
图
图6-1
图
图6-2
1.惠斯登直流电桥原理
惠斯登直流电桥是直流平衡电桥。当电阻箱的电阻Rs改变时,可使BC间的电流方向改变。Rs为某一数值Rs1时,可使UBUC,电流由B流向C,G中指针向某一方向偏转;改变Rs数值为另一数值时可使UCUB,电流由C流向B,G中指针向反向偏转;当Rs改变为(或)中某一值时,恰好使UB=UC,则检流计G中无电流流过,即Ig=0,这时称为电桥平衡。此时:
。
即。
因为G中无电流,所以,上列两式相除,得:
(1)
称k为比率常数,RA,RB为比例臂,为比较臂,Rx为测量臂。
由(1)式可看出调节电桥平衡有两种方法。①取比率系数k不变,调节比较臂Rs;②取比较臂Rs不变,调节比率系数k。后一方法准确度很低,几乎已不使用;而前一方法行之有效,准确度较高,因此被广泛采用。
平衡电桥法测电阻的误差主要来源于(1)本身的误差;(2)电桥灵敏度误差。下面分别予以讨论。
2.交换法(互易法)减小和修正自搭电桥系统误差:
我们先自搭一个电桥,设电桥灵敏度足够高,主要考虑引起的误差。此时
如何减小和修正这一系统误差呢?可用交换法(互易法)。此法是:先用图6-2搭好电桥,调节Rs使G中无电流,记下Rs值由式(1)求Rx。然后将Rs和Rx交换(互易),再调节Rs使G中无电流,记下此时的R?s,可得
(2)
式(1)、(2)两式相乘得:
。 (3)
这样就消除了由RA、RB本身的误差对Rx引入的测量误差,由式(3)求出Rx的测量误差为:
(4)
实验中,Rs可选用具有一定精度的标准电阻箱,以减小系统误差。(4)式的右边只与电阻箱的仪器误差有关。实验室中常用的十进位转盘直流电阻箱,其它仪器允许的相对误差为:
(5)
其中a是电阻箱准确度等级,Rs是电阻箱指示值,△R是最小步进值,b是与准确度等级有关的系数。一般常用的0.1级十进位电阻箱的a=0.1,b=0.2,△R=0.1?。
(6)
3.惠斯登电桥灵敏度及由电桥灵敏度引入的误差
电桥灵敏度的物理意义是:在电桥平衡时(),若比较臂Rs变动,电桥就失去平衡,有电流Ig流过检流计。但如果Ig小到使检流计反映不出来,那么我们就会认为电桥还是平衡的,因而得出就是由于电桥灵敏度不够而带来的测量误差。
为此我们引入电桥灵敏度的概念,它定义为:
(7)
其中?d是对应于待测电阻的相对改变量(实测中用来代替),引起的桥路上G中偏转改变量(格数)。电桥灵敏度S越大,对电桥平衡的判断就越准确,测量结果也更准确些。S的大小与电源电压的大小有关,即提高电源电压,可提高电桥的灵敏度(注意不要超过电阻允许通过的最大电流);同时S的大小与桥臂的电阻也有关,可以证明:当RA=RB,Rs=Rx时,电桥的灵敏度最大。
一般,在实验中由电桥灵敏度引入的误差,是这样估测的:即在电桥平衡时,使改变
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