惠斯通電橋測電阻實驗改進研究

【摘 要】本文闡述了用惠斯通電橋測電阻的原理，分別用傳統電橋法和改進電橋法測量了同一待測電阻的阻值，對實驗數據進行了處理，給出了實驗結果，對兩種測量方法進行了比較研究，總結了改進惠斯通電橋測電阻的優(yōu)點。

【關鍵詞】惠斯通電橋；測量電阻；實驗改進；指針式檢流計；數字電壓表

電橋是利用比較法進行電磁測量的一種電路連接方式，惠斯通電橋用來精確測量中等阻值（幾歐姆至幾十萬歐姆）的電阻。還可以配合不同的傳感器件測量很多非電學量，如溫度、壓力、加速度等，因此在傳感技術中應用極廣。但惠斯通電橋中的平衡指示器使用的是指針式檢流計，這種指針式儀表，給實驗帶來諸多不便，若用數字式儀表替代電橋中的指針式檢流計，除給實驗的操作帶來很多方便外，還能大大提高實驗的測量精度。

1 原理

惠斯通電橋的原理如圖1所示。當電橋平衡時，根據分壓器原理可知：

Ubc=Uac■，Udc=Uac■

平衡時，Ubc = Udc 即■=■

整理化簡后得到：

R1=■R4 =RX

由上式可知：待測電阻RX等于R2/R3與R4的乘積。電橋由四臂（測量臂、比較臂和比例臂）、檢流計和電源三部分組成。與檢流計串聯的限流電阻RG和開關KG都是為在調節(jié)電橋平衡時保護檢流計，不使其在長時間內有較大電流通過而設置的。

圖1 惠斯通電橋原理圖

2 實驗儀器改進

在傳統的惠斯通電橋測電阻實驗中，平衡指示器用的是指針式檢流計，如圖1所示，若換成四位半數字萬用表200mV量程檔，拆下限流電阻RG，其他儀器和電路不變。實驗將得以改進。

3 數據處理與不確定度計算

實驗儀器：AC5/4型指針式檢流計，四位半數字萬用表200mV量程檔，穩(wěn)壓電源（E=2V），4個ZX21型電阻箱。

為了檢驗測量的準確度，Rx也用的是電阻箱，標稱值放500.0Ω。比例臂相同，待測電阻相同。

3.1 數據處理與不確定度計算

測量數據見表1，由于兩種測量方法的B類不確定度相同，所以只計算A類標準不確定度。測量結果為：

Rx±uA（Rx）=（499.51±0.10）Ω；Rx改±uA（Rx改）=（500.054±0.011）Ω

表1 數據記錄表

3.2 兩者實驗結果和不確定度比較

從上面的測量結果可以看出，待測電阻的測量值，改進電橋法的測量結果更接近實際值。

待測電阻的A類標準不確定度，傳統電橋法是改進電橋法的9.1倍。

4 實驗改進研究

改進的惠斯通電橋測電阻與傳統的惠斯通電橋測電阻相比較，具有以下優(yōu)點：

1）電阻R2-R4初值放的不準確，或電路有故障，電壓表都不會被燒毀。因為數字電壓表有過載保護，不用擔心電壓表被燒毀。

2）調平衡過程中（電阻箱有斷路現象），數字電壓表因有過載保護不用擔心電壓表被燒

毀。

3）讀數容易且沒有讀數誤差。由于測量結果直接以數字形式給出，所以示數讀出方便，不用估讀數據，所以不會產生讀數誤差。

4）測量速度快。數字電壓表的最高測量速度可達每秒鐘幾萬到幾十萬次。

5）靈敏度高。四位半數字萬用表200mV量程檔可以分辨10-5V的電壓，而AC5/4型檢流計電壓分辨率約為10-4V，兩者相差一個數量級。

6）數字儀表操作簡單，測量過程自動化。可以自動地判斷極性，帶有微機處理器的數字儀表具有自動校零、自動校準、切換量限的功能。

7）不怕振動。數字電壓表的電路不怕振動，測量結果不受振動影響。

8）恢復測量狀mV量程檔態(tài)非常容易。

9）大大減小系統誤差。由于數字儀表測量時間短，電器元件消耗的焦耳熱少，電阻變化就小。所以系統誤差大大的減小。

10）測量結果的準確度高。UT56型數字電壓表200mV量程檔測量直流的準確度可以達到滿度值的0.05%，最高的可達0.001%。

11）輸入阻抗高，吸收被測量功率很少。UT56型數字電壓表200mV量程檔輸入阻抗可達10MΩ，現代的數字電壓表中，基本量限的輸入阻抗高達25000MΩ。

12）不用串聯限流電阻RG，既節(jié)省儀器開支又使電路簡單。

13）數字電壓表成本低廉。

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