針對板式惠斯頓電橋的改進研究

呂群松 LV Qun-song；梁士坤 LIANG Shi-kun；葉淑群 YE Shu-qun；吳興達 WU Xing-da

（廣東醫學院，東莞 523808）

（Guangdong Medical College，Dongguan 523808，China）

針對板式惠斯頓電橋的改進研究

呂群松 LV Qun-song；梁士坤 LIANG Shi-kun；葉淑群 YE Shu-qun；吳興達 WU Xing-da

（廣東醫學院，東莞 523808）

（Guangdong Medical College，Dongguan 523808，China）

板式惠斯頓電橋因為能簡單而又直觀地反映電橋線路的特點，便于觀察并且適合手工操作而被大學物理實驗廣泛使用。文章分析了板式惠斯頓電橋在學生實驗使用中兩個嚴重故障的產生原因，采取幾種不同的方式對電橋進行改進，并通過實際使用來驗證改進的效果。板式惠斯頓電橋的改進研究有利于節約成本和減輕實驗室技術員的工作量。

惠斯頓電橋；故障；改進

0 引言

惠斯頓電橋又稱“單臂電橋”，是一種測量電阻的精密儀器。使用惠斯頓電橋測量中值電阻（10～106Ω）是大學物理實驗中電學部分一個重要而典型的實驗，與中學所學的“伏安法”測電阻相比，準確度更高。[1-3]

惠斯頓電橋有板式電橋和箱式電橋兩種。箱式電橋便于攜帶，但是它的線路是在箱子的內部，并且集成度高，不便觀察。而板式電橋又叫學生型電橋，它能簡單而又直觀地反映電橋線路的特點，便于觀察并且適合手工操作。[4]

1 存在的故障

本校給本科生開出的實驗項目是“用電橋測熱敏電阻的溫度特性”。學生實驗中使用了板式（滑線型）惠斯頓電橋。板式惠斯頓電橋及測量電路如圖1所示。其中斜線陰影部分為金屬板，R是一只旋轉式電阻箱，r1、r2用一根粗細均勻的電阻線代替，電阻線張緊在A、C兩接線柱之間，其下置以米尺。滑動探頭D（如圖2，其中滑塊可以沿著米尺滑動，接線柱連接兩端均可按下的金屬探頭，使用時按下其中一端即可）按下時便將電阻線AC分為r1、r2兩個部分，其位置可由米尺讀出。

圖1 板式惠斯頓電橋及測量電路

圖2 滑動探頭

為了減小測量的系統誤差，實驗要求測量熱敏電阻常溫下的阻值時取電阻線長度比Lx/LR=1，即滑動探頭D要求按在米尺的中點50.00cm處。同時，為了便于測量熱敏電阻的RT-T關系曲線，需要找出AC電阻線的等分電阻點D0（D0往往會略為偏離AC中點，但卻將AC分為電阻相等的兩部分）。也就是說，后面測量不同溫度下熱敏電阻的阻值時，滑動探頭D要求按在AC電阻線的等分電阻點D0處。[5-8]

因此，學生實驗中常常會把滑塊的金屬片探頭D長時間用力按在米尺的中點處和AC電阻線的等分電阻點處。因為在實驗過程中，探頭按下又松開時，滑塊會移動，探頭再按下時的位置會改變。經過一次兩次的位置核對后，學生沒有耐心、怕麻煩了，就干脆一直用力壓著探頭，直到完成測量項目。

這樣就會使板式惠斯頓電橋出現以下兩個嚴重的故障：①木質米尺的中點處出現一條較深的凹陷的刻痕，它的附近也有不同程度的凹陷刻痕；②電阻線AC的中點處出現“V”型的折痕，它的附近也有不同程度的曲折。

這樣一來，基本上每一次實驗過后，準備實驗的技術員都要把每一支板式惠斯頓電橋的電阻線張緊、拉直。而電阻線被拉的次數多了，就很容易斷，斷了就需要換上新的電阻線。這就增加了實驗的材料消耗費用，也增加了技術員的工作量。假如不及時張緊拉直電阻線，由于“V”型折痕的存在，會使下一組學生實驗測量的誤差增大，甚至于很難調節使電橋平衡。

2 針對板式惠斯頓電橋的改進

2.1 改進滑塊，使滑塊在探頭按下又松開時位置不變

①簡單的做法是：在滑塊側面打螺紋孔，用螺桿旋緊，把滑塊固定在米尺上。缺點是由于米尺也就只有5mm厚，使用的螺桿最粗的直徑也只能是5mm，那么電橋用多了，米尺的側面將會凹陷變形，米尺也就壞了。

②在①的基礎上，在米尺的側面，滑塊螺桿要固定時接觸的位置（48cm～52cm處），嵌入一塊厚1mm的金屬片。優點是米尺側面就不會凹陷變形。缺點是螺桿用力過度的話，滑塊會斷裂損壞。

③另一個可考慮的做法是：做一個可微調0～2cm范圍的金屬探頭代替滑動探頭D，固定在米尺中點附近位置，可以用夾緊或打孔的方法固定在電橋基板上，使探頭可以接觸電阻線中點部分左右1cm位置。缺點是加工成本較高，現成可用的微調器件價格很貴。

2.2 改進探頭，使探頭接觸電阻線時不會讓電阻線曲折，不會在米尺上留下壓痕

①簡單的做法是：選用示波器的探頭（有魚須鉤的那種），直接鉤在電阻線上。缺點是那種探頭過長，實驗使用中容易被碰上而改變與電阻線的接觸位置。

②在①的基礎上進行改進，做一個短點的探頭。缺點是手工改造很麻煩，材料難找，工藝不好。

2.3 改進米尺，使探頭壓下時不會在壓的位置留下刻痕 一般來說，銅質的金屬探頭硬度比電阻線硬度小，假如底下的米尺硬度夠大，在探頭多次壓磕下，就不會形成壓痕，電阻線也不會產生“V”型折痕。通過對比選擇，有以下兩個簡單有效的方法：

①對新的板式惠斯頓電橋，米尺刻度面很平整，可以取厚0.2mm的蓋玻片（大小約2cm×2cm），用透明膠帶固定在米尺的中點位置。優點是操作特別簡單，成本幾乎可以不計，同時電阻線被壓在蓋玻片上不容易形成“V”型折痕，通過玻璃的鏡像探頭的位置更容易定位。缺點是壓力過大時，蓋玻片容易斷裂。

②對舊的板式惠斯頓電橋，米尺中點部分已經有了不同程度的刻痕壓痕，可以取厚1mm的載玻片（大小約2cm×7cm），嵌在米尺中點部分。優點是成本不高，不容易被壓爛。缺點是工作量有點大，沒有木工的工作經驗還做不好。不過可以請木工用專門的工具來做。經驗是鑿出大小深度合適的凹坑（底部要求很平整），直接用透明膠帶固定；或者鑿出深一點的凹坑，在底下打上玻璃膠再嵌上載玻片，保證載玻片平整，壓下時還有點彈性，使用效果更好。

3 結語

通過教學實踐，針對板式惠斯頓電橋的改進研究成果取得了良好的教學使用效果。針對板式惠斯頓電橋的改進研究還促進了實驗室的技術員著力于改善實驗室細節工作的管理與研究，讓技術員和帶課教師對實驗室儀器的改進研究精益求精，更注重解決學生實驗時出現的實際問題，從而提高實驗教學水平。

[1]趙宗坤,馬華玲.基于“單臂電橋測電阻”的一個設計性實驗——單臂電橋測檢流計內阻[J].物理與工程,2009,19(6):40-41.

[2]韓向宇,殷鵬飛,夏川茴.電橋實驗的改革嘗試[J].物理教師,2012,33(7):72-73.

[3]馬樹元.惠斯登電橋靈敏度研究[J].廣西物理，2007,28(1):42-46.

[4]侯玉娟.自組惠斯登電橋測熱敏電阻實驗探討[J].實驗室科學,2013,16(3):40-42.

[5]馮永振.醫學物理學實驗[M].北京:科學出版社,2010:36-39.

[6]陳早生,任才貴.大學物理[M].上海:華東理工大學出版社,2003:97-100.

[7]趙德華,于華.惠斯登電橋線路改進及測量數據的處理與結果的科學表示[J].大學物理實驗,2002,15(2):64-65.

[8]任慧娟,姚展.惠斯登電橋的靈敏度及換臂測量的數據處理[J].咸陽師范學院學報,2010,25(2):25-27.

Research on the Improvements of Plate Type Wheatstone Bridge

The plate type Wheatstone Bridge is widely used in college physical experiment,since it can simply and intuitively reflect the characters of bridge circuit,and in the meantime it is easy to process and observe.In this paper,the causes of two severe faults occurred in the Wheatstone Bridge experiments had been analyzed.To avoid these faults,several improved methods had been put forward.According to the actual effect,we found that all these improved methods were feasible.In addition,our methods are beneficial to cost saving and reducing the workload.

Wheatstone Bridge；fault；improvement

呂群松（1979-），男，廣東湛江人，廣東醫學院物理與電子學實驗室實驗師，從事物理與電子實驗儀器和實驗室管理的研究。

TN710

A

1006-4311（2014）10-0300-02

廣東醫學院面上項目“針對物理經典驗證性實驗《用電橋測熱敏電阻的溫度特性》實驗的儀器改進研究（XK1125）”。