惠斯通 电桥灵敏度的探究
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电桥灵敏度的探究
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第3 3卷第 4期Vo.3 1 3 No 4 .
西南师范大学学报 (自然科学版 )J u n l fS uh s iaNo ma ies y ( trl ce c dt n o ra o twet o Chn r l Unv ri Nau a S in eE io ) t i
20 0 8年 8月A ug 2 0 . 08
文章编号:1 0 5 7 (0 8 0—0 4 0 0 0— 4 1 2 0 )4 19— 4
惠斯通电桥灵敏度的探究谭兴文, 韩力1、重庆大学电气工程学院,庆 4 0 0;2西南大学物理科学与技术学院,庆 4 0 1重 010 .重 075
摘要:从理论推导出了影响起灵敏度的因素,且分析了惠斯通电桥灵敏度与电阻的搭配、桥臂阻值的选择之间并的关系,将对提高电桥灵敏度及该实验教学起指导作用 . 关键词:斯登电桥;灵敏度;比例臂;电阻惠文献标识码:A
中图分类号:G 4 . 2 6243
惠斯通电桥是一种用比较法测电阻的精密仪器,可测电阻范围为几十到几十万欧姆.惠斯通电桥是英国科学家惠斯通首次使用来测量电阻的,就被称为惠斯通电桥 .惠斯通电桥的线路原理如图 1示 .电桥所
平衡时,一 R。, R, R R若。 R/的值已知,可以根据上式计算出 R .这个公式仅在电桥平衡时才成立则1、 d
的,电桥的平衡是依据检流计的指针是否为零来判断的,由于判而断时受到眼睛分辨能力的限制而存在差异,给测量结果带来误差,会影响测量的准确性 .这个影响的大小取决于电桥的灵敏度 .惠斯通电桥在科学测量技术中应用广泛,随着科学技术的发展,对测量精度的要求越来越高,而惠斯通电桥灵敏度的高低关系到测量结果的 A
B
C
精确度问题,影响惠斯通电桥灵敏度的因素有哪些,它们是如何影响灵敏度的.近年来,多作者对这些问题进行了一些定性的探讨,许 没有定量化研究和从理论上进行解释.本文从定量的角度对惠斯通电桥的灵敏度进行了探讨,从理论上进行了分析和解释,目的是并为了更好地提高电桥的测量精度 .
1电桥灵敏度的定义 所谓电
桥灵敏度,就是在已经平衡的电桥里,当调节比较臂电图 1惠斯通电桥
阻 R。使之改变一个微小量△,时检流计指针离开平衡位置分度,定义电桥灵敏度 S为, R。这则
s意一百由检流计电流灵敏度的定义有z— s 3 a厶 g
( 1 )() 2
式中:是为所用检流计的电流灵敏度; I当调节臂变化一个微量△ A是 R。,检流计微小偏转检流计支路不平衡电流.
时相对应的
收稿日期:2 0 0 7—0 7—2 5
作者简介:谭兴文 ( 92一,男,重庆人,讲师,硕士研究生,主要从事物理实验教学 . 17 )通讯作者:韩力,副教授 .
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西南师范大学学报 (自然科学版 )
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第 3 3卷
把 () 2式代入 ( ),到电桥灵敏度的另一表达式: 1式得
s瓮一R。
() 3
如图 1运用线路电压定律和节点电流定律,,则有在 A D回路中 B A在 B DB回路中 C在 AB E回路中 C A】+△一 R4— 0 R】 R 2— 3~△ R R3 R一 0 R+ z — E R2一】一△
3一 4△+
整理得到线性方程组1
R1△ Rg+ g— 4 R4— 0 R一 ( R+ R3 R ) I+ A一 1 R3— 0 4 (+ R )~ A 一 E R】 IR
1
1
当给 R。一个微小增量,变成 (+△ ), R。 R。联立 ( ) ( 0、 1 ) 9、 1 ) ( 1式解得
一丽鬲将 (2式代人 ( ),则电桥的灵敏度 1) 3式s—R
丽
丽
( 2) 1
++。++ +礤2 ) R+ (R R R
( 3 1)
(3式表明,电桥的灵敏度与电源电压成正比,与检流计内阻有关, 1)与桥臂总阻值、桥臂电阻之比有关 .
2限定条件怎样选取各桥臂的阻值,使电桥灵敏度 S为最大 由图 1知,电桥平衡时有
R是。C (一1比臂数。 R R C为例系 )一:。 R如设 C为一常量, R ( R )则 或 可取不同的阻值,只要 R一定,有 R一 R/C, R但 必 将作为变量,则 ( 3式可写成 1),,
)
)
s一
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)
)
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n)
磅
( 4) 1
要 S大应时足荣一使最,同满:。经整理可得:
蓑一。( ) 的 5
R=专 1: R=
R一言 R e (+
从上式可以看出,当被测电阻 R一定时,择比例臂 R选的阻值为R/ 2时,电桥灵敏度具有最大值,如 R一 5 0 Q,C一 2 R,一 2 E一 5V,流计的灵敏度 S一 7 1 3×1一( i/,电 7Q, 检 04 0 dv A)则
桥的灵敏度与 R的关系见图 2检流计的选择应根据比例系数 C及;待测电阻而定,如检流计内阻 R满足 ( 5式时,电桥具有最大 S 1) 值,这就说明了为什么用同一电桥测不同阻值的电阻,电桥灵敏度不同的原因.如实验室条件许可,可适当的选择不同内阻 R也的检图 2电桥灵敏度与 R 的关系
流计和比例系数 C值,可使 S值较大,可保证检流计工作在临界状态.既又
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第 4期
谭兴文,等:惠斯通电桥灵敏度的探究
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3电阻搭配对测量灵敏度的影响 4个电阻 R,,, RzRsR,按图 3示方法连接.由电桥平衡条件 R Rs 可知,2接法检流计中所 z:R R种都无电流通过.但这 2种电阻搭配,量的灵敏度是不同的.如设定电桥 4个电阻 R,, sR测 RzR,中, Rz R,较大,,较小 . RsRC C
也
图 3惠斯通电桥两种不同的连接图
对图 3 a,检流计的内阻为 R,据基尔霍夫定律,出如下方程 ()设 根列对节点 a I+ I一 I一 0 1 3 ( 6 1)
对节点 b对节点 C
I+ I一 I一 0 z — I+ I+ I1— 0 1 2 G
( 7 1)( 8 1)
回路 ad ca回路 c d bc回路 a b da联立解以上方程组得r一
R11 R I1 I+ gG一R33— 0 I R I一R44 22 I一RgG I1— 0R33 R I一 E一 0 + I( R3一 R1 ) R2 R4 E R1 ( R2 R3+ R )+ R3 (+ R2 R R1 )+ R R1+ R2 ( ( ) R3+ R )
( 9 1) ( 0 2)( 1 2)r 9
当 R Rs R R z— 时, G I一 0,电桥
平衡 .假设电桥平衡后,电阻 R有一个微小增量△ 这时检流计 R,中有一个微小电流变化,其值为^r一
[ R3 R2一RIR4△ ] (+ R4 E )
,‘ )
一由于 R Rs R R,以有 z— 所^一 r一
瓦一职 1R△ 4
丽
、
对图 3 b,同理可得 ()
一酉 -誉 二 F由于 Rz s— R R, R 4故有
瓣
( 2 5 )() 2 6
假设电桥平衡后,电阻 R有一个同样微小增量△, R引起检流计中的电流微小变化,值为△ .其 J
可
- A4 R RE I
令 P等于 ( 6式的分母,Q等于 (4式分母, 2) 2)有P— Q— R R2 R3 (一 R (一 ) R1 ) ( 7 2)
R (流计内电阻)检为正,由于在开始已设 R Rz 为较大电阻, ( 故 R一R。、( ) R一R )为正,因而 P均—
Q> 0也就是说,(6式分母大于 ( 4式分母,, 2) 2)即在相同增量△情况下,流计中电流变化 l J大 R检△ c{于 l J{从而证明了两个较大电阻放在电源对角线的一边,△ .两个较小的电阻放在电源对角线的另一边时
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l 3第 3卷
比的O .
4
灵
有关.
O 2 4 6
8 1 1 1 1 O 2 4 6R
() 2当被测电阻 R一定时,比例臂的阻值为 R/ 2时,惠斯通电桥的灵敏度具有最大值 . () 3当电桥由 2个较大电阻和两个较小电阻组成时,2个较大
图 4电阻搭配对灵敏度的影响
电阻放在电源对角线的一边,2个较小的电阻放在电源对角线的另一边时比 2个较大电阻放在桥的一边, 2个较小的电阻放在桥的另一边时的灵敏度要高.参考文献:[]沈元华,申龙 .基础物理实验 E .北京:等教育出版社,2 0:15— 18 1陆 M]高 03 6 6.
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The Re e r h o e s tv t f W h a s o e El c r c Br d e s a c n S n ii iy o e tt n e t i i g
TA N i— e , X ng w n
H A N Li
7 S h ol f e r a n ie rn . c o ct c l g n e ig,Ch n ig Unv r i o El i E o gqn i e s t y,Ch n ig,40 0,Chn o gqn 01 0 ia; 2. c o l h sc lS in e a d T c n l g S h o P y ia ce c n e h o o y, S u h s ie s t of o t we tUn v r iy,Ch n ig,4 07 5,Ch n o gqn 0 1 ia
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a t l b an d t ef co s ifu n i g t e s n i v t fW h as o e ee t i b ig r m h s e to h o y,a d ri eo ti e h a t r l e cn h e s ii o e t t n lc r r e fo t ea p c ft e r c n t y c d nds u s d t e r lto s i ew e n s n iiiy o rd e a e itnc fa m fb ig nd i e r ssa c fg l a ic s e h eai n h p b t e e stvt fb ig nd r ssa eo r o rd e a nn r e it n eo av—
no tr And t i a n a c h u v yng s n ii iy a d b n ft t e i r v me fd lc t e r e a d t e me e . hs c n e h n e t e s r e i e stvt . n e e i h mp o e nto eia e d g e n h ta h n ft e e p rm e t e c igo h x ei n . K e r s: h na s on l c rc brd y wo d W e t t e ee t i i ge;s nstv t e ii iy; pr p to la m s; r s s a e o or i na r e it nc
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