恒流源作为惠斯登电桥电源的灵敏度研究

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自组惠斯通电桥灵敏度分析

自组惠斯通电桥灵敏度分析

自组惠斯通电桥灵敏度分析作者:张可欣来源:《科学与财富》2015年第33期摘要:惠斯通电桥是一种广泛应用于电阻测量的电桥电路。

它具有灵敏度高、测量准确和使用方便等特征。

本文是对自组惠斯通电桥的灵敏度进行了分析研究,首先阐述了惠斯通电桥的工作原理,其次通过实验分析了惠斯通电桥的比例系数和电压对其灵敏度影响,并且给出了详细的论述。

关键词:惠斯通电桥;灵敏度分析;自组电路一、引言电桥在电测技术中应用非常广泛。

利用桥式电路制成的电桥是一种用比较方法进行测量的仪器。

惠斯通电桥是英国物理学家惠斯通在1843年首先提出来的。

电桥主要是四个桥臂电阻,电源和检流计组成。

在实际应用中,电桥可以被用于实验应力分析,测试计量和自动检测与控制等诸多领域;能够进行各种机械和工程结构强度及寿命的诊断和评估;用于多种物理量的检测和控制,实现生产过程和科学实验过程的测量和控制。

因此研究电路灵敏度的相关因素,是理论研究和各种技术应用中设计电路的关键。

而当前利用成品箱式电桥不能够分析检测具体部分对于整个电桥的灵敏度影响,故本文运用相关知识自行组装了惠斯通电桥,并通过自主改变参数来检测比例系数与电压对电桥灵敏度的影响。

二、惠斯通电桥的工作原理图1是惠斯通电桥的工作原理图。

四个电阻R1、R2、R3、Rx连成一个四边形,每一条边称作电桥的一个臂,其中:R1、R2组成比例臂,Rx为待测臂,R3为比较臂,四边形中一条对角线AB接电源E,另一条对角线CD中接检流计G。

所谓的“桥”就是指CD这条对角线。

当接通电源时,每个支路上都有电流通过,电桥没有平衡时,“桥”上有电流通过检流计,适当调节各臂电阻值,可使“桥”上无电流,即C、D两点电位相等,电桥达到了平衡,时的等效电路图如图2所示。

此时很容易证明:(1-1)此式即电桥的平衡条件。

如果已知R1、R2、R3,则待测电阻Rx可求得。

设,R1/ R2=K 则有Rx=K R3式中K称为比例系数。

三、惠斯通电桥的灵敏度及相关因素电桥测量电阻,仅在电桥平衡时才成立的,而电桥的平衡是依据检流计的偏转来判断的,由于判断时受到眼睛分辨能力的限制而存在差异,会给测量结果带来误差,影响测量的准确性。

惠斯登电桥实验报告

惠斯登电桥实验报告

实验报告一、实验目的:1.掌握电桥测电阻的原理和方法;2.了解减小测电阻误差的一般方法 二、实验原理: 1、惠斯登电桥的原理惠斯登电桥由四个电阻432,,R R R 和X R 联成一个封闭四边形,在四边形的对角A 和B 上接入直流电源,对角C 和D 之间接入检流计而组成,如图所示。

图中四边形的每一条边称为电桥的一个臂,而CD 这条对角线就是所谓“桥”。

“桥”的作用是将C 、D 两点的电位直接进行比较,当C 、D 两点电位相等时,检流计G 中没有电流通过,即0=G I ,电桥便达到了平衡。

这时的电桥称为平衡电桥,检流计称为平衡指示器。

电桥达到平衡时,因为C 、D 两点电位相等,故 AD AC U U = DB CB U U =根据欧姆定律有: 441R I R I X =, 3322R I R I =, 因为 21I I = , 43I I =所以有423x R R R R = 即 432R R R Rx =(12-1) 图中,与检流计串联的电阻G R 为检流计的保护电阻。

2、电桥的灵敏度定义为: XXR R n S ∆= 单位是“格” (12-2)式中X R ∆是在电桥平衡时X R 的微小改变量,n 是由于X R 有一微小改变量后,电桥失去平衡引起检流计偏转的格数。

实际上,待测电阻X R 一般不能改变,所以只能改变比较臂的阻值, 以44R R ∆代替XX R R ∆, 于是(12-2)为: 44R R nS ∆= (12-3)电桥灵敏度S 愈大,表明电桥的灵敏度愈高,判断所得的平衡点愈精确,由电桥灵敏度带来的误差愈小。

理论与实验都已证明,电桥的灵敏度与下面几个因素有关:(1)与检流计的电流灵敏度S 成正比,S 的值大电桥的灵敏度就高。

但如果S 值太大,则电桥不易稳定,平衡调节就比较困难,因此应选用适当灵敏度的检流计。

(2)与检流计的内阻g R 以及串联的电阻G R 有关,g R 及G R 越小,电桥的灵敏度越高,反之则低。

惠斯登电桥实验报告

惠斯登电桥实验报告
3.线式电桥测电阻时为何电源接通前应将Rp调至最大位置?电桥平衡后为何又要调小?为何在Rp值较小时不能较长时间通电?
防止电流太大烧坏电路。平衡后调小是为了增大电路中的电流提高通过检流计的电流(如果不平衡的话)从而提高精确度减小误差。不能长时间通电是因为电路会发热而导致电阻改变从而造成误差甚至烧毁电路。
Rx=KrR3
(5)用上述方法测量另一待测电阻Rx2,以及Rx1与Rx2串、并联值,一并记入自拟表。
测量完毕后,先松开G0(G1),然后松开B0,使仪器恢复到实验前状态。
八、附上原始数据:
三、实验仪器:
线式电桥版,电阻箱,滑线变阻器,检流计,箱式惠斯登电桥,待测电阻。
四、实验内容和步骤:
1.用线式电桥测电阻
(1)按图11-1接好线路,各接线头必须干净、接牢,以减小接线电阻,可变电阻Rp取最大值。
(2)接通电源,电压取3~5V左右,选好倍率,合上开关S,观察检流计偏转情况。用逼近法从高值位到低值位逐渐改变R3(用电阻箱)的值,使检流计偏转减小。例如,估计R3为某一值时,指针偏向某一边;改变R3的值,若指针偏向另一边,则指针指R3值一定在R1与R2之间。逐步缩小R1与R2的差值,便可找到R3的准确值。
2.箱式电桥测电阻
(1)将箱式电桥打开平放,调节检流计指零。
(2)根据待测电阻(线式电桥测量值或标称值)的大小和R3值取满四位有效数字的原则,确定比例臂的取值,例如,Rx为数千欧的电阻,为保证四位有效数字,Kr取为0.1.
(3)调节R3的值与Rx的估计值相同,按下B0和G0细调电桥平衡,根据式(11-1)可得
(2)线式电桥中减小误差的一种方法。
线式电桥使用日久后,导线磨损致使电阻分布不均匀,结果会带进系统误差。为消除误差,可采用交换测量法:使R1、R2的位置不变,将Rx和R3对调,各测量一次。设第二次测量电桥平衡时R3的值为R3',根据式(11-1)有

实验三 用惠斯通电桥测电阻

实验三 用惠斯通电桥测电阻

实验三用惠斯通电桥测电阻【实验目的】1.掌握惠斯通电桥测电阻的原理和方法;2.理解电桥灵敏度的概念;3.研究惠斯通电桥测量灵敏度。

【实验原理】1.惠斯通电桥测电阻原理惠斯通电桥的原理图如图3-1所示,它由比例臂电阻R1、R2和调节臂电阻R以及待测电阻R X用导线连成的封闭四边形ABCDA组成,在对角线AC两端接电源,在对角线BD两端接灵敏度较高的检流计。

通常将BD端称为桥路,四个电阻R1、R2、R和R X称为桥臂。

若适当调节R1、R2或R阻值,使桥路两端的电位相等,即检流计示值为零,这时称为电桥平衡。

图3-1 惠斯通电桥的原理图电桥平衡时(V=0),得到:U AB=U AD,U BC=U DC即I1R1=I2R2,I X R X=I R R(1)同时有I1=I X,I2=I R(2)由式(1)、(2)得到R X=R(R1R2⁄)(3)当知道R 1R 2⁄的比值及电阻R 的数值后,由式(3)可算出R X 。

R1R 2⁄称为比率系数或倍率,R 称为比较臂。

式(3)称为电桥平衡条件。

惠斯通电桥适用于测量中值电阻(1Ω~1MΩ)。

2.惠斯通电桥灵敏度当BD 端接毫伏表,毫伏表显示为零时认为电桥平衡,但现实的问题是毫伏表的灵敏度是有限的,毫伏表所示电压为零不等于实际电压一定为零。

同样的道理,R X =R (R 1R 2⁄)为电桥平衡条件,由于毫伏表的灵敏度所限,R X (或R 1、R 2、R )有一定的偏差时毫伏表仍可能指示电桥平衡。

当电桥平衡时,保持3个桥臂电阻不变,1个电阻改变(假设R X 、R 1、R 2不变,R 改变ΔR ),则电桥输出电压偏离平衡为ΔU 0,电桥输出电压对桥臂电阻的相对变化反应灵敏度(简称电桥相对灵敏度)S 为:S =ΔU 0ΔR R ×100%与电桥灵敏度相关的物理量有:电源电压U AC 、桥臂电阻R 1+R 2+R +R X 、桥臂电阻分配比例R R 2⁄、检测仪表的灵敏度和内阻R V 。

探究惠斯通电桥灵敏的影响因素

探究惠斯通电桥灵敏的影响因素

探究惠斯通电桥灵敏的影响因素郭 超200802050234 08物理(2)班 红河学院摘要:电阻的测量是电磁学中的重要实验,测量方法很多其中以电桥发通常采用惠斯通电桥法,因为该方法从根本上消除了采用伏安法测电阻时由于电表内阻的接入而带来的系统误差,从而提高了准确度。

而“电桥”是很重要的电磁学基本测量仪器之一,它主要用来测量电阻器的阻值,线圈的电感和电容器的电容及其损耗,电桥的灵敏度直接影响测电阻的精确值,其灵敏读与诸多因素有关。

关键词:惠斯通电桥;灵敏度;因素一. 电桥原理惠斯通电桥的原理如(图一)所示,图中ab.bc.cd 和da 四条支路分别由电阻1R )(X R .2R .3R 和4R 组成,称为电桥的桥臂。

通常,桥臂ab 接待侧)(X R 电阻,其余各比电阻都市可以调节的标准电阻。

在ab 对角线之间连接检流计、开关、和限流电阻GR 。

在ac 两对角见连接电池、开关和限流电阻E R ,当接通开关E S 和GS 后,各支路中军有电流通过,检流计支路起了沟通abd 和adc 两条之路的作用,可以使比较bd 两点的电势,点桥之名由此而来。

适当调整各支臂的电阻阻值,可以使流过检流计的电流为零,即=G I 。

这时,称电桥达到了平衡。

平衡时 b.d两点的电势相等。

根据分压器原理可知:212R R R U U abbc += (1)433R R R U U acdb += (2)平衡时,dc bc U U =即433212R R R R R R +=+ (3)整理化简后得到 X R R R R R ==4321 (4)由(3)式可知:待测电阻1R )(X R 等于32R R 与4R 的乘积。

通常,称2R 、3R 为比例臂,与此相应的4R 为比较臂。

所以电桥由四臂(测量臂、比较臂、和比例臂)、检流计和电源三部分组成。

电桥灵敏度的引入及由于电桥灵敏度引入的被测量的相对系统误差2.1电桥灵敏度的引入在用天平秤称质量是已知,测得质量的精度住要取决于天平的灵敏度。

探究惠斯通电桥灵敏度的影响因素

探究惠斯通电桥灵敏度的影响因素

探究惠斯通电桥灵敏度的影响因素实验者: 同组实验者: 指导教师:【摘要】用惠斯通电桥测电阻时,其精度主要取决于电桥的灵敏度。

电桥的灵敏度S 越大,由电桥灵敏度引入的误差越小。

要提高测量电阻的精度,就应该从电桥灵敏度的影响因素中入手。

该实验基于此思想,通过调试改变试验中的各相关数据和仪器,探究影响电桥灵敏度的几个具体因素,从而设法找出提高电桥灵敏度的方法。

【关键词】惠斯通电桥 灵敏度 因素 【实验原理】惠斯通电桥的原理图如右图所示,其中1R 、2R 、3R 和4R )(X R 组成了电桥的桥壁。

当满足0==g DC BC I V V ,时,电桥处于平衡,使调节3R 有一微小变化量3R δ,从而会引起检流计指针有一微小偏转n 。

通常定义电桥的绝对灵敏度S 为3R nS δ=(1) 电桥的相对灵敏度为:33R R nS δ=相 (2)可以证明,改变任何一个桥壁,其所得的电桥灵敏度都相同。

由检流计电流灵敏度的定义很容易导出:G I I S n ∆= (3)其中,I S 为检流计的电流灵敏度,G I ∆为改变桥壁3R 一个微小变化量3R δ时,检流计微小偏转n 格相对应的检流计支路的不平衡电流。

再利用基尔霍夫定理解得))(()()(32414132324131R R R R R R R R R R R R R ER R I G G ++++++-=∆δ (4)将(4)式带入(2)式,可得:)1)(1()(k/32144321R RR R R R R R R E S g ++++++-=(5)由(2)式可知,如果检流计的最小可辨偏转量为n ∆(一般认为0.2n ∆=格),则由电桥灵敏度引入的被测电阻值的相对不确定度为:R nR S∆∆=(6) 表明电桥的灵敏度S 越大,由电桥灵敏度引入的误差越小。

【调试方案设计】1、 仪器用品:直流稳压电源1个、检流计1个、滑动变阻器1个、万用表1个、电阻箱5个、电键1个、连接线若干 2、 调试方法步骤:2.1 按原理图连接电路,先使50G R =Ω,设置桥臂比为1:1,电源电压在3~5V 之间取值,滑动变阻器取最大值。

影响惠斯通电桥灵敏度因素的实验验证

影响惠斯通电桥灵敏度因素的实验验证
实 验 数据见 表 3 。
表 3 保 护 电 阻 和 限 流 电阻 关 系
由表 3 数据可知, 越小 , 电桥的灵敏度 S 对 相 越 高, 反之则低 。 越大 , 岛 电桥灵敏度 5时 越低 。
3 4 电桥 灵敏 度 与 四个 桥 臂 的阻值 关 系 .
35 电桥 灵敏 度 与检流 计 和 电 源所 接 的位 置 的 .
知电阻的 阻值 和电桥灵敏度 , 用实验分析和验证 了影响 电桥灵敏宠 刍 因素 。 与
中圈分类号 : 4 . O4 1 1
1 惠斯通 电桥测量原理
图 1是惠 斯 通 电桥 的原 理 图 。 电源 接通 时 , 电
2 电桥 的灵 敏度
定义 检流计 的灵敏 度 S 流 电流 变化 量 检 计:

R zQ c
R () 3f 1




影 响惠斯通 电桥灵敏度 因素 的实验 验证
R < R , 么检 流计 接在 C z 那 D两点 比接 在 AB两
4 结

点 时 的电 桥灵敏 度来 得高 。 当 < + 时 , 满
足 R1 R。R < R 或者 R1 R。R2 R > 、 < 、 > 的条
所引起检流计指针偏转格数 的比值。 即
s 流 一 A 检 计 l

() 2
定 义 电桥相 对灵 敏 度 s 对: 处 于平 衡 的 电 相 在 桥 里 , 比 较 臂 电 阻 R 改 变 一 个 相 对 微 小 量 若
态。 电桥处于平衡状态时有 :
一 0, 一 , 一 ,
越高 。
3 2 电桥的灵敏度与电源电压 E的关系 . 实验数据见表 2 。

惠斯登电桥

惠斯登电桥

惠斯登电桥[目的]1.掌握用惠斯登电桥测量电阻的原理和方法;2.学习用交换法减小和消除系统误差;3.初步研究电桥的灵敏度。

[原理]惠斯登电桥(Wheatstone Bridge)是用于精确测量中值电阻(10—105 )的测量装置。

最简单直接的测量电阻的方法是伏安法。

用伏安法测量电阻时,通过测出流经电阻 R的电流 I和电阻两端的电位差 V,依据欧姆定律 R=V/I即可求出被测电阻值。

但这种方法存在较大的测量误差。

由于电表本身具有内阻,不论采用电流表内接还是外接,都不能同时准确测出流经电阻的电流 I和电阻两端的电位差 V,因而不可避免地存在线路本身的缺陷带来的误差,这个误差被称为电表的接入误差。

电表的接入误差是一个可定系统误差,如果我们能够事先确定电流表或电压表的内阻,就可以通过加修正值的办法消除此误差。

然而,伏安法测量中使用的电流表和电压表精度都不可能很高(电表的准确度等级最高为0.1级),由仪器误差限制带来的测量不确定度是无法减小的。

举例来说,如果电流表和电压表都是0.5级,被测电流和电压都是接近电表量程的二分之一,仅由于电表准确度等级限制带来的测量误差便可能达到1.5%。

用电桥法测电阻,实质是把被测电阻与标准电阻相比较,以确定其值。

由于电阻的制造可以达到很高的精度,所以电桥法测电阻可以达到很高的精确度。

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。

惠斯登电桥是直流电桥中的单臂电桥;双臂电桥又称为开尔文电桥(Kelvin Bridge),适用于测量低电阻(10-6—10 )。

由于电桥测量法比较灵敏、精确、使用方便,它已被广泛地应用于电工技术和非电量的电测法等方面。

一.惠斯登电桥的线路原理惠斯登电桥的基本线路如图(9-1)所示。

它是由四个电阻R1,R2,R3,R x联成一个四边形ACBD,在对角线AB上接上电源E,在对角线CD上接上检流计G 组成。

接入检流计(平衡指示)的对角线称为“桥”,四个电阻称为“桥臂”。

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[ 2 ] 王若芳 . 惠斯登 电桥测 电阻的误差分 析 [ J ] . 大学 物
理实验 , 1 9 9 4, ( 7 ) : 4 7 — 5 0 .
[ 3 ] 陈民溥 , 杨文 明 , 沈学浩 , 等. 直 流 电桥测 量 电阻实 验的改进 [ J ] . 物理实验 ( 特刊 ) , 2 0 0 4 ( 2 4 ) : 4 — 6 .
, ,
1 原 理 与 讨论
1 . 1 恒流 源作 为 电桥 电源 的灵敏 度 理论推 导
Rx 一 R R
( 2 )
图 1为 自搭实 验 的 电路 图。
当电桥 平 衡 时 , 数 字 电压 表 指 示 为 零 , 即 V=I s R =0 , 故有




垒 — ±

( 4 )
收 稿 日期 : 2 0 1 5 - 0 7 - 2 1
恒 流源作为惠斯登 电桥 电源 的灵敏 度研 究
2 001: 7 9- 8 4.
7 1
顿 电桥 的探讨 [ J ] . 物理与工程 , 2 0 0 6 ( 1 6 ) : 2 9 — 3 0 . 王锋 , 王新 春 , 岳升华 , 等. 用 惠斯登 电桥 实验 系统 与S P S S标 定 电阻 [ J ] . 大学物理实验, 2 0 1 4 ( 3 ) :
考 虑数 字 电压表 的内阻 为 尺 , 则 可 根据 基 尔 霍 夫定 律列 出方 程组 :
I I: 】 3 I 4

, 4=, 2 + , 5
1 ( , 一 I 2 ) R + I 3 R = , 2 : + 厶
【 ( , 一 I 2 ) R + I s R :, 2

R R 1
— — — —
— — — —
R .


( 3 )
在电 , 改变变阻箱的阻直 一 + △ , 电桥 失去 平衡 , 数 字 电压 表 检测 到 电压 , 则 可求 出电桥 的灵敏 度 S 。
图1 电压 敏 感 型 惠斯 登 电桥 电路 图

( 1+ R 2 ) ( 1+ R x ) 1
恒 流 源 作 为 惠 斯 登 电桥 电源 的 灵 敏 度 研 究
王锦辉 , 贺莉蓉 , 刘嘉滨 , 周 红, 沈 学浩
( 上海交通大学 , 上海 2 0 0 2 4 0 )

要: 讨论 了恒流源作为 电源 的惠斯登 电桥的灵敏度 。研究 表 明灵 敏度与恒 流源输 出电流成正
比, 并且桥臂电阻 比例越小 , 灵敏度越高 ; 当保持 桥臂 电阻 比例不 变时 , 桥臂 电阻数值越 大 时灵敏 度越
[ 4 ] 王锦辉 , 夏樟 根 , 陈 民溥 , 等. 关 于 电压敏感 型 惠斯
苏启 录. 电源特性与惠斯登 电桥灵敏度 [ J ] . 大学物 理实验 , 2 0 1 3 ( 6 ) : 3 9 — 4 1 .
Ef f e c t o f S e ns i t i v i t y o f W he a t s t o ne El e c t r i c a l Br i dg e Us i ng Co ns t a nt - Cur r e nt So u r c e
其 中 已知 阻值 的精密 电阻 R , R 作 为桥 臂 电 阻, R 为变 阻箱 , 为待 测 电阻 。, l 、 , 2 、 、 , 4 和, 5 分别 为 各支 路 上 的 电 流 。所 用 电 源为 恒 流 源 , 输
出 电流 为 , 。
其中电桥的平衡指示 用 4位半 的数字万用 表测 量 。若 提 高惠 斯登 电桥 灵敏 度必 须适 当提 高稳 压 电源 输 出电压 , 并且 采用 高 内阻 的数 字 电压 表 , 构 成桥 路 的两个 精 密 电阻 、 变 阻 箱 和待 测 电 阻尽 量 相等 , 即最 好采 用 等 比例 臂 测 量 。如 果 所 用 电 源为恒流源情况 , 灵敏度与哪些 因素有关值得我 们进 一 步探讨 , 而 这方 面研 究报 导 尚不多 见 。
第2 8卷
第 6期






Vo 1 . 2 8 No . 6
De c . 2 01 5
2 0 1 5年 1 2月
PHYSI CAL EXPERI M ENT 0F C0LLEGE
文章编 号 : 1 0 0 7 - 2 9 3 4 ( 2 0 1 5 ) 0 6 - 0 0 6 9 - 0 3
惠斯登 平衡 和非 平衡 电桥 实 验在 高校 中广 泛 开设 _ 1 卫 J , 所用 的电源 基本 为稳 压 源 , 另 外 通 常 采 用 检 流 计 来 检 测 电桥 平 衡 与 否 。近 来 我 们 利 用 L e y b o l d接插 件 技 术 改 进 了惠 斯 登 电桥 实 验 ,
Ab s t r a c t :T h e s e n s i t i v i t y o f Wh e a t s t o n e b r i d g e c i r c u i t u s i n g c o n s t a n t — c u r r e n t s o u r c e h a s b e e n d i s c u s s e d . T h e
W ANG J i n — h u i , HE L i — r o n g , L I U J i a —பைடு நூலகம்b i n, Z HO U Ho n g , S HE N Xu e — h a o
( S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 )
高。研究表明两种 电源所构成 的电桥灵 敏度影 响因素完全不 同。 关 键 词: 惠斯登 电桥 ; 灵敏度
文献标志码 : A D Ol : 1 0 . 1 4 1 3 9 / j . c n k i . c n 2 2 - 1 2 2 8 . 2 0 1 5 . 0 0 6 . 0 2 0 中图 分 类 号 : 04 - 3 3
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