惠斯登电桥的原理与应用

惠斯登电桥的原理与应用
大学物理基础性实验
【摘要】惠斯登电桥是大学物理基础性实验之一。教学辅导中发现,在理工科中,不同专业的学员,对惠斯登电桥原理的学习要求各不相同,有的专业学员对惠斯登电桥原理只作一般性了解和使用;而电子工程技术类的学员则作一般性了解和使用外,还要求对每一个原理在其它项目中的应用。本文对惠斯登电桥原理作了一般性的论证分析外,还对对惠斯登电桥原理在温度控制技术作了入门式讨论分析。
【关键词】惠斯登电桥 交换测量法 热敏电阻
这里介紹一种測量电阻值大小的方法,這种方法称为惠斯登电桥測量法。它的特別之处,是在于精确、精細,几乎省去人在判读時所形成的誤差。並且由于它的精細,我們要用它去測量电阻阻值和測量电阻随温度变化的情形,也就是电阻的温度系数。究竟惠斯登电桥是如何能够达到精确、精細的功能?以下就来了解它的原理。
惠斯登电桥(平衡电桥)测电阻的原理. 惠斯登电桥原理图1中,接通电源,调节电桥平衡,即调节电桥四个“臂”R1、R2、R3、Rx,当检流计G的指针指零,B、D两点电位相等,则有
式称为比率k。箱式惠斯登电桥的比率K有0.001,0.01,0.1,1, 10,100,
1000七档。根据待测电阻Rx大小选择K,调节R3使检流计G为零,
由Rx = KR3 求出待测电阻Rx值。
电流计G 的 B、D两点电位

(7--2)

(7--3)
由上式看出,当R1R3 = R2Rx时,电流计G 的 B、D两点电位差Uo=0,电桥处于平衡,这就是惠斯登电桥。
二、 箱式惠斯登电桥的结构线路(以QJ23型箱式直流单臂电桥为例)图(a)
分析箱式惠斯登电桥的结构线路.提示: 当比率转换开关K连接到0.001的挡位时, R1代表一只电阻的值, 而R2代表7只电阻串联值.在不同的挡位时,R1 R2所代表的电阻串联值.各不相同.Rx:被测电阻接线柱R3:由四个可变电阻箱串联组成.每个可变电阻箱的挡位X1Ω、X10Ω、X100Ω、X1000Ω构成.箱式惠斯登电桥的操作法1.检流计的指针作调零处理.
2.确定待测量电阻的大致数值,在Rx被测电阻接线柱间接上被测量电阻.
3.根据被测量电阻的大小值选定比率转换开关K连接的挡位.
4.测量时用跃接法按下"B"和"G"按钮(按下后立即
松开),若指针偏向"+"方向.则增加R3的数值;若指针偏向"-"方向,则减小R3的数值,反复调节直至电桥平衡.
5.测量有感电阻(如电机、变压器等)时,应先接通"B"和后接通"G"按钮,断开时应先放开"G"再放开"B".
6.使用完毕,必须断开"B"和"G"按钮,并且将检流计的联接片接在"内接"位置,也保护检流计.

2.箱式惠斯登电桥的结构(以QJ23型箱式直流单臂电桥为例)
版面布置图. 图(B)

三、测量方法
在被测电阻位置接待测电阻Rx按惠斯登电桥的操作方法直接测量.

交换测量法:

当比率K不变,Rx和R3的位置相互交换,得到R`3= KRx , R`3是交换后电桥平衡的新值,将Rx=KR3和R`3=KRx两式整理得
得到的结果与比率K系统无关,说明此法可以抵消系统误差的影响.
惠斯登电桥原理在温度控制技术中的应用
惠斯登电桥原理的应用:惠斯登电桥可以测量电阻、电容、电感、温度、频率、及压力等许多物理量,同时广泛应用在自动控制技术中.
惠斯登电桥原理在温度控制技术中的应用若R1、R2、R3为固定电阻,Rx为热敏电阻,即随温度变化的电阻,Rx=R (t)。设室温t= t0时,Rx= Rx0,当温度t = t0+Δt时,Rx = Rx0+ΔRx,由(4-22-3)式求得电压Uo为:

(7--4)

在室温t0时要预调平衡,即调节R1、R2和R3,使R1R3=R2Rx0,则(4-22-4)式变为:
(7--5)

若Rx电阻变化很小,ΔRx<< R1、R2、R3,则(4-22-5)式分母中ΔRx项可以略去,(7--5)式变为:
(7--6)
这个电压Uo是温度升高引起的,可以用这个电压Uo去控制温度调控设备。
惠斯登电桥各桥臂之间的三种典型情况,下面分别进行分析讨论:

等臂电桥:R1=R2=R3=Rx0 ,(7--6)式变为:
(7--7)

输出对称电桥(电流计端等臂),也称卧式电桥:当 R1=Rx0,R2=R3,且R1≠R3,(7--6)式变为:
(7--8)

电源对称电桥(电源端等臂),也称为立式电桥:当 R1=R2,R3=Rx0,且R1≠R3,(4-22-6)式变为:
(7--9)

由上三式可以看出,当ΔRx << R1、R2、R3 时,三种电桥的输出电压Uo均与成线性关系. 若Rx0、ΔRx相同情况下,等臂电桥、卧式电桥输出电压Uo比立式电桥输出电压Uo高,故灵敏度也高;而立式电桥测量范围大,从(7--9)式中的
(7--10)
项看出可以通过选择R1、R3来扩大测量范围,R1、R3差距越大,Rx测量范围也越大。而测量电压Uo后,计算出ΔRx,从而求得Rx= Rx0+ΔRx 。
六、思考题
1、了解惠斯登电桥的原理和桥式电路的特点;
2、学会使用电桥测电阻的方法;
3、学会消除系统误差的一种方法-------交换测量法
4.平衡电桥与非平衡电桥有哪些不同?
5.什么时候用平衡电桥测电阻较好,什么时候用非平衡电桥测电阻较好?
6.非平衡电桥中立式桥为什么比卧式桥测量范围大?
7.若用惠斯登平衡电桥测出一只热敏电阻在常温下的阻值,当温度升到50°C时,电阻值增加多少并绘制Rx- t曲线,再计算出电阻温度系数α(=K/R0)的测量值。

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发布人:众宇旺仪器 发布时间:2014年8月15日 已被浏览 1235 次 〖 打印本文