直流电桥测电阻实验成果

2023-11-02 理论教育版权反馈

【摘要】：电桥可分为直流电桥与交流电桥。直流单电桥适于测量10～106Ω的中阻值电阻；直流双电桥适于测量10-5～10Ω的低阻值电阻。了解直流单电桥和双电桥的结构及工作原理。由3个精密电阻及1个待测电阻组成4个桥臂。所以电桥测量电阻时，测量的误差还包括仪器的灵敏阈。本实验以检流计偏转0.2分格所对应的待测电阻变化值作为电桥的灵敏阈。

电桥是一种利用电位比较的方法进行测量的仪器，因为具有很高的灵敏度和准确性，在电测技术和自动控制测量中应用极为广泛。电桥可分为直流电桥与交流电桥。直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。直流单电桥（惠斯通电桥）适于测量10～106Ω的中阻值电阻；直流双电桥（开尔文电桥）适于测量10-5～10Ω的低阻值电阻。

【实验目的】

（1）了解直流单电桥和双电桥的结构及工作原理。

（2）掌握电桥测电阻的方法。

【实验原理】

1.单电桥测电阻原理

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图6-1　单臂电桥原理

惠斯通电桥是最常用的直流电桥。由3个精密电阻及1个待测电阻组成4个桥臂。对角A、C两端接电源，B、D 之间连接一个检流计作“桥”，直接比较两端的电位，如图6-1所示。当电桥达到平衡时，桥两端电位相等，Ig=0。此时

根据电桥的平衡条件，若已知其中3个臂的电阻，就可以计算出另一个桥臂的电阻，即

2.双电桥测低电阻的原理

单电桥测几欧姆的低电阻时，由于引线电阻和接触电阻r （约10-2～10-4Ω），已经不可忽略，致使测量值误差较大。改进办法是将其中的低电阻桥臂改为四端接法，并增接一对高电阻，如图6-2所示。

改用四线接法后的等效电路如图6-3所示。r1、r2 串联在电源回路中，其影响可忽略；r3、r4 接高电阻，其影响也可忽略。

实际的电路如图6-4所示。当检流计调平衡后，可得到以下3个方程

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由这3个电路方程解得

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使r尽量小，并将两对比率臂做成联动机构，尽量满足

则

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图6-2　四线接

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图6-3　四线接法等效电路图

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图6-4　双臂电桥原理图

【实验仪器】

1.QJ—23型携带式单臂电桥

QJ—23型携带式单臂电桥外观图及其内部电路图如图6-5和图6-6所示。

（1）比率臂C。C=R2/R1，分为×0.001、×0.01、×0.1、×1、×10、×100、×1000共7挡。

（2）测量臂R。由4个十进位电阻盘组成×1000、×100、×10、×1。

（3）端钮X1 和X2 接被测电阻，B+和B-、G+和G-分别为外接电源和检流计接线端钮。若使用内置的电源或检流计，应将相应的外接端钮用金属片连接起来。内置电源为4.5V。

（4）电流计G。用作平衡判断，在使用前应先调零。

（5）电源开关B及检流计开关G。由于长时间通电对电阻有热效应，且电源消耗过快；非瞬时过载对检流计也易造成损坏。实验中B、G应跃按（即先按B，后按G，断开时，必须先断开G，后断开B），并尽量避免被锁住。

2.QJ—44型携带式双电桥

QJ—44型携带式双电桥外观图及其内部电路图如图6-7和图6-8所示。

（1）比率C。C=R2/R1，分为×0.01、×0.1、×1、×10、×100共5挡。

（2）测量盘。由粗调盘和细调盘组成。粗调盘有0.01～0.1共10挡，细调盘从0.0000～0.0100连续可调，还应再估读一位。

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图6-5　QJ—23型携带式单臂电桥

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图6-6　单臂电桥电路图

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图6-7　QJ—44型携带式双电桥

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图6-8　双电桥电路图(www.chuimin.cn)

（3）高灵敏度电流计。由放大器和电流表组成。灵敏度旋钮逆时针转到头为迟钝位置，顺时针转到头为最灵敏位置。内接放大器电源，由开关B1 控制，不用时务必断开B1，以免耗电。调零旋钮每次改变灵敏度，要重新调整零点。

（4）外接电源端钮B。用于连接外接电源。本实验采用内置电源（或者由市电供电）。

（5）电源开关B及检流计开关G。B、G按钮使用同单电桥。

（6）四端接线钮C1、C2、P1、P2。待测低电阻，必须采用四端接法。

【实验内容】

1.单电桥测电阻

（1）测量前，接好电源，调节电流计零点；连接待测电阻。

（2）预置C、R。根据待测电阻的大约值及Rx=CR的关系，将R盘置为千位数，再定C的大小。如欲测100Ω的电阻，将R置于1000，C选0.1，这样可测出4位有效位数。

（3）跃按B、G按钮，调节测量盘R直到平衡。

（4）稍微改变R值，记下ΔR，同时观察检流计并记下指针偏转的格数Δd。

（5）将所得数据填入表格。

（6）实验完毕，切断电源，还原仪器。

2.双电桥测低电阻

（1）测量前接好电源，接通放大器开关，调节电流计零点；连接待测电阻。

（2）预置C、R，选择原则也是应使有效位数尽量多。

（3）从灵敏度最迟钝位置测起，跃按B、G，先调节R粗调盘，再调细调盘，逐步提高灵敏度再测，直到最灵敏时测得值方为准确值。同时注意检查此时的电流计零点。

（4）实验完毕，放大器电源B1 置于“断”。

【实验结果与数据处理】

1.关于电桥测量不确定度的简述

（1）QJ—23型电桥的准确度等级指数α，主要反应了电桥中各种标准电阻的准确度，同时还与一定的测量范围、工作电源电压和检流计等条件有关。

QJ—23型电桥各测量范围的准确度等级以及工作电压选取可参考表6-1。

表6-1　QJ—23型电桥各测量范围的准确度等级以及工作电压选取参考表

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在其规定的使用条件下，电桥的基本误差极限为

如果不符合测量范围或电源、电流计条件，电桥测量判断平衡时，则不 “灵敏”，测量不确定度会增大。所以电桥测量电阻时，测量的误差还包括仪器的灵敏阈。实验中，能够引起仪表显示值发生可觉察变化的被测量物理量的最小变化量叫做仪器的灵敏阈（也叫分辨率）。本实验以检流计偏转0.2分格所对应的待测电阻变化值作为电桥的灵敏阈。当所用电桥灵敏阈越低时，则测量的精度越高。单电桥的灵敏阈计算式为