第24卷第2期 大学物理实验 V01.24 No。2 2011年4月 PHYSICAL EXPERI^ rr 0F COLLEGE Apr.2011 文章编号:l∞7—2934(2O11)O2—0028一O3 提高惠斯通电桥灵敏度的方法 李尧 ,孙鹏 ,王永超 (1.北华大学,吉林吉林132013 ̄2吉林市田家炳高级中学,吉林吉林132011) 摘 要:惠斯通电桥的灵敏度是影响其测量精确度的一个重要因素。为了分析影响惠斯通电桥灵 敏度的因素,推导了惠斯通电桥灵敏度的公式,对惠斯通电桥的灵敏度进行实验研究。利用惠斯通电桥 灵敏度的实验,从电源电压E、电源内阻rE和限流电阻RE、检流计灵敏度、检流计内阻RE和限流保护 电阻R保护、检流计和电源接入线路的位置、 和桥路两端等效电阻Ra)的关系、桥臂电阻之和R。+Rz+ 风+R|和对应臂电阻之比R /R。、风/Rt等几个方面探讨分析了影响电桥灵敏度的各个因素,得出电 桥灵敏度和各因素之间的关系,从而找出提高惠斯通电桥灵敏度的方法。 关键词:惠斯通电桥;灵敏度;电阻;实验 中图分类号:O441.1 文献标志码:A 惠斯通电桥测电阻,是平衡法测电阻的较好 方法。它具有操作简便、测量精度高等优点[】{]。 定义检流计的灵敏度S检流计:电流变化量 所引起检流计指针偏转格数An的比值。即 在实际应用中,电桥被用于实验应力分析[4_引,传 S检流计一 / g (1) 感器 ],仪器的设计[8_1 、测试计量[n-12 和自动 定义电桥相对灵敏度S相对:在处于平衡的电 检测与控制[13-15]等诸多领域。随着科学技术的发 桥里,若比较臂电阻R 改变一个相对微小量 展,对测量精度的要求越来越高,电桥灵敏度是影 △R 引起检流计指针所偏转的格数 的比 响其测量精度的一个重要因素,而电桥灵敏度又 值。即 是由检流计灵敏度和电路灵敏度所决定的,因此 S相对一△ /(△R4/R4) (2) 电桥灵敏度与检流计和电路中的各因素有关,本 电桥的相对灵敏度S相对有时也简称它为电 文从定量的角度对惠斯通电桥的灵敏度进行了探 桥灵敏度。S相对越大,说明电桥越灵敏。 讨,利用实验分析验证了影响电桥灵敏度的因素。 将(1)式整理代人(2)式中,得 S相对一S检流计・R4・△Ig/△R4 (3) 1 电桥的灵敏度 为推导方便,用磁表示电源内阻rE和限流电 阻RE串联的等效电阻,R 表示检流计内阻R 和 惠斯通电桥测电阻的原理图如图1所示。 R保护串联后的等效电阻。对图1所示惠斯通电桥 R1( )为待测电阻,兄为比较臂,R2、R为比例臂。 应用基尔电压定律和霍夫流定律可列如下方程 组: 在ACBEA回路中 k R1+R2 +R,EI—E (4) 在ACDA回路中, f R1 IR +R'lfg—IR4R4—0 (5) 在CBDC回路中, R2IR,一R3IRs—R Jg一0 (6) 图1 惠斯通电桥测电阻的原理图 节点A: 收稿日期:2010-01-20 提高惠斯通电桥灵敏度的方法 ,一 + (7) 流电阻以后的电桥灵敏度表达式: 节点B: S—RzR4S检流计E/△ + , (8) 一S樯流计E/[(R1+R2+R3+R4)(1+ 节点D: R /R2R4)+R (1+R1/R2)(1+ 一 + (9) R3/R )+R (1+R1/R4)(1+R3/R2)] 由(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)联立得 (17) (UpE+R1+R2)I一(Rl+R2)IRa+R1 一E 若忽略电源内阻rE、限流电阻Rr和R保护, (1O) (17)式可简化为 R1j一(Ul+R4)厶+(R1+R4 q-R'g)Ig一0 S相对一Sawn・E/{(R1+R2+R3+R4) (11) +R [2+(R1/R2+R3/R )]) (18) I一(Rz+R3)Ia—R'lf 一0 (12) 由(17)式可以看出,电桥灵敏度与电流计灵 对方程组(1O)、(11)、(12)应用克莱姆法则 敏度S检流计、电源电动势E、电源内阻rE和限流电 可得系数行列式 阻RE、检流计的内阻R 和R保护、4条臂上的总电 lR +R1+R2-(R1+R2)EI 阻以及对应臂的电阻比值R z、R。 4有关。 一 IRl 一(R1+R4)0 I lR2 一(R2+R3)0 l 2 实验分析与验证 —E(R2R4一R1R3) (13) IR1+ 一 +Rz) R1 I 为了克服电桥灵敏度引起的测量误差,实验 △一l R1 一(R1+R)R1+R+ I 时,我们可以采取如下措施来减少其测量误差: I R2 一(R2+R3) 一 l (1)选择合适的比例臂。若条件允许,R1( )的 一 (R1+ + +R)+ (-G+R4)(R1+ 值应在比较臂足的调节范围之内,一般采用R2/ 一R2)+ E +咫)(R1+足)+R1R2 +R) 1的比例臂。此时相对调节误差aR /RI最小。 +R足(Ri+R2) (14) (2)适当减小桥臂电阻R1+R2+R。+R 的 系数行列式不为零,故可得出检流计的非平 值。尽量将桥臂配置成均匀状态,即四臂电压相 衡电流为: 等,使2+R1/R2+R。/R 之值最小。 Ig=Ag/A (3)电源电压E的微小波动对判断电桥平衡 设比较臂R 的微小改变量为△R ,则对L求 影响非常小,所以对电源的稳定性要求不高。电源 △R 的偏微分, 电压E的大小对电桥灵敏度有直接的影响,但又 D受到桥臂电阻额定功率的,因此电源电压的 盟:g4 攀△。 (15) 大小要根据实际电路而确定。在实验中,可采用 0---20 V或0~3O V的可调直流稳压电源。 当电桥平衡时,RzRt—R R。,代人(13)式知 (4)选用内阻 小、灵敏度5=睑流计较高的检流 —0,即(15)式可化为: 计,但S=睑流计不能太高,以免给平衡操作带来不便。 a蠹一去 一1R 4 △ 4Dg △△ 4aRa (RzR —RxR。)E一 在实际操作中,为了避免平衡困难及费时,通 常不一定将电桥调至灵敏度最高。 一 2E (16) 2.1 电源电动势对电桥的灵敏度影响 将(14)、(16)式代人(3)式,当电桥平衡时, 由表1可知,电源电压越高,电桥的灵敏度越 RzR 一R R。,可得考虑电源及检流计内阻和限 高。为提高电桥灵敏度可适当提高电源电压。 表1 电桥的灵敏度与电源电压E的关系 提高惠斯通电桥灵敏度的方法 2.2 检流计和电源所接的位置对电桥灵敏度的 (1)R保护+ > +Re,满足R1>R3,R2> 影响 R4或R1<R3,R2<R4 裹2 电桥灵敏度与检流计和电源所接的位置的关系 由表2可知,当R保护+R >rE+RE,满足R1 提高电桥灵敏度。 >R3,R2>R4或R1<飓,尺2<R4时,检流计接 (2) 护+ <re+RE,满足Rl>R3,R2 在阻值大的两臂结点和阻值小的两臂结点之间可 <R4或R1<R3,R2>R4 表3 电桥夏敏度与检流计和电源所接的位置的关系 由表3知,当R保护+R <rE+ ,满足R1> 值大的两臂结点和阻值小的两臂结点之间可提高 R3,R2<R4或R1<R3,R2>R4时,电源接在阻 电桥灵敏度。 表4 电桥炅敏度与检流计灵敏度的关系 2.3 检流计灵敏度对电桥灵敏度的影响 正比。为提高S相对,选择适当灵敏度的检流计。 由表4可知,电桥灵敏度与检流计灵敏度成 裹5电桥灵敏度与|R,E的关系 2.4 电源的内阻re和串联的限流电阻只 对电 由表5可知,R 不变时,R,E越大,s相对越低。 桥灵敏度的影响 衰6电桥灵敏度与疗,口的关系 2.5 检流计的内阻R口和开保护对电桥的灵敏的 由表6可知,R,E不变时,R,g越大,S相对越低。 影响 裹7 电桥灵敏度与疗 和桥两端等效电阻RoD的关系 提高惠斯通电桥灵敏度的方法 2.6 只 与桥的两端等效电阻RoD的关系对电桥 灵敏度的影响 由表7可知,R 与桥路两端等效电阻R∞相 等时,灵敏度高。 表8 电桥灵敏度与桥臂电阻之和及R,/R2+R ̄/R4的关系 2.7 桥臂参数对电桥灵敏度的影响 低电桥的灵敏度。对应臂的阻值之比R, z、 由表8可知,4个桥臂阻值越大电桥灵敏度越 小。R /尺z+尺s/R 越大,灵敏度越低。 3 结 论 由(17)式和实验知道,要想获得比较高的电 桥灵敏度,可以采取如下措施: (1)电桥的灵敏度与电源电动势成正比。在 实际操作中要考虑到电桥上所有电阻所承受的最 大电流的情况下,尽可能提高电源的电动势以便 更精确地测量电阻的阻值,提高电桥的灵敏度。 (2)检流计和电源二者内阻大的一方接在电 阻值大的两个桥臂的结点和电阻值小的两个桥臂 的结点上,电桥灵敏度高。 (3)选用有较高灵敏度S检流计的检流计,但是 并非S检流计值越大越好,S检流计值大,电桥就越不 易稳定,平衡调节比较困难,甚至会出现因为电阻 箱的不连续可调性而致使检流计指针不能示零的 现象,测量精确度反而降低。因此在实验当中要选 用适当灵敏度的检流计。 (4)R,E越小,电桥灵敏度越高。增大RE可以 降低电桥的灵敏度,这对寻找电桥平衡的规律较 有利。随着平衡逐渐趋近,RE值应当减小到最小 值,以便使电桥的灵敏度得到提高。 (5)R 越小,电桥的灵敏度越高。增大R保护, 可以降低电桥的灵敏度,在实际测量中,粗测时可 使R保护适当增大,这对于寻找电桥平衡的规律及 保护检流计很有作用,当电桥趋于平衡时应使 R保护减小到最小值来提高测量的精度。 (6)在忽略R 的前提下,当 等于电桥线路 在检流计和R保护支路两端的输出电阻R∞时,电 桥灵敏度最高。 (7)电桥的灵敏度与组成电桥各臂的电阻之 和R +尺z+Ra+Rt有关,当此项值过大时,会降 Rs/Rt越小,电桥的灵敏度越高。 参考文献: [1]陈毓斌.惠斯通电桥测电阻的误差分析[J].技术物 理教学,2004,12(1):32-33. 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(下转第42页) 42 衍射光栅测钠波长的光栅摆放与观察问题 The Placement and Observation Guestions of Groting by Measuring Na’s Diffraction Grating ZHANG Rui—hua,JIANG Ze-hui,ZHAO Hai—fa (Harbha Institute of Technology,Harbin 150001) Abstract:S0lving of severa1 questions about observation and placement of diffraction grating in the measurement of wavelength of grating for spectrometer in this paper. Key words:spectrometer;wavelength of grating (上接第31页) Methods of Improving Wheatstone Bridge’s Sensitivity LI Yao1,SUN Peng。,WANG Yong-chao (1.Be ua University,Jilin 132013;2.Tian Jia-bing’s Senior School in Jilin City,jiln i132011) AbStract:Wheatstone bridge’s sensitivity was regarded as a key factor to affect its measuring Prec卜 sion.In order to analyze influence factors of Wheatstone bridge’sensitivity,expression of the eleetric bridge’s sensitivity was deduced.The experimental investigations for the Wheatstone bridge’s sensi— tivitv were carried out in this paper.After carrying out the experiment,there are many tactors that In- luence sensiftivity of the electric bridge.There these factors are analyzed in the paper:suppLY Voltage, intema1 resistance of supply voltage and current-limiting resistor'sensitivity of galvanometer'internal resistance of galvanometer and current-limiting protective resistor,on-position oi galvanometer and supply circuit,relation between in the bridge and the equivalent resistance at the ends of the bridge, sum of resistances in bridge arms and ratio of resistance in corresponding bridgearm and,and SO o几 And then we derived the relation between the sensitivity and these factors by the experiment・From the analyses.we found methods of improving the sensitivity o±electric b 。dg己 Key words:Wheatstone bridge;sensitivity;resistance;experiment