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惠斯登電橋的原理與應用

[ 2009-8-17 ]  [轉載請注明來源:就是要儀器網(wǎng) mrboha.com]

 惠斯登電橋的原理與應用

                                                       
       【摘要】惠斯登電橋是大學物理基礎性實驗之一。教學輔導中發(fā)現(xiàn),在理工科中,不同專業(yè)的學員,對惠斯登電橋原理的學習要求各不相同,有的專業(yè)學員對惠斯登電橋原理只作一般性了解和使用;而電子工程技術類的學員則作一般性了解和使用外,還要求對每一個原理在其它項目中的應用。本文對惠斯登電橋原理作了一般性的論證分析外,還對對惠斯登電橋原理在溫度控制技術作了入門式討論分析。   
      【關鍵詞】惠斯登電橋 交換測量法 熱敏電阻     
 
       這里介紹一種測量電阻值大小的方法,這種方法稱為惠斯登電橋測量法。它的特別之處,是在于精確、精細,幾乎省去人在判讀時所形成的誤差。並且由于它的精細,我們要用它去測量電阻阻值和測量電阻隨溫度變化的情形,也就是電阻的溫度系數(shù)。究竟惠斯登電橋是如何能夠達到精確、精細的功能?以下就來了解它的原理。
惠斯登電橋(平衡電橋)測電阻的原理.   惠斯登電橋原理圖1中,接通電源,調節(jié)電橋平衡,即調節(jié)電橋四個“臂”R1、R2、R3、Rx,當檢流計G的指針指零,B、D兩點電位相等,則有

     
式稱為比率k。箱式惠斯登電橋的比率K有0.001,0.01,0.1,1, 10,100,
1000七檔。根據(jù)待測電阻Rx大小選擇K,調節(jié)R3使檢流計G為零,
由Rx = KR3 求出待測電阻Rx值。
             電流計G 的 B、D兩點電位

                    (7--2)

                    (7--3)
      
       由上式看出,當R1R3 = R2Rx時,電流計G 的 B、D兩點電位差Uo=0,電橋處于平衡,這就是惠斯登電橋。
 
二、 箱式惠斯登電橋的結構線路(以QJ23型箱式直流單臂電橋為例) 
 
    分析箱式惠斯登電橋的結構線路.提示: 當比率轉換開關K連接到0.001的擋位時, R1代表一只電阻的值, 而R2代表7只電阻串聯(lián)值.在不同的擋位時,R1 R2所代表的電阻串聯(lián)值.各不相同.Rx:被測電阻接線柱R3:由四個可變電阻箱串聯(lián)組成.每個可變電阻箱的擋位X1Ω、X10Ω、X100Ω、X1000Ω構成.箱式惠斯登電橋的操作法1.檢流計的指針作調零處理.
     2.確定待測量電阻的大致數(shù)值,在Rx被測電阻接線柱間接上被測量電阻.
      3.根據(jù)被測量電阻的大小值選定比率轉換開關K連接的擋位.
     4.測量時用躍接法按下"B"和"G"按鈕(按下后立即
松開),若指針偏向"+"方向.則增加R3的數(shù)值;若指針偏向"-"方向,則減小R3的數(shù)值,反復調節(jié)直至電橋平衡.
     5.測量有感電阻(如電機、變壓器等)時,應先接通"B"和后接通"G"按鈕,斷開時應先放開"G"再放開"B".
   6.使用完畢,必須斷開"B"和"G"按鈕,并且將檢流計的聯(lián)接片接在"內接"位置,也保護檢流計.

    2.箱式惠斯登電橋的結構(以QJ23型箱式直流單臂電橋為例)
     三、測量方法
在被測電阻位置接待測電阻Rx按惠斯登電橋的操作方法直接測量.

交換測量法:
 

當比率K不變,Rx和R3的位置相互交換,得到R`3= KRx , R`3是交換后電橋平衡的新值,將Rx=KR3和R`3=KRx兩式整理得 
 
得到的結果與比率K系統(tǒng)無關,說明此法可以抵消系統(tǒng)誤差的影響.
 
  惠斯登電橋原理在溫度控制技術中的應用
      惠斯登電橋原理的應用:惠斯登電橋可以測量電阻、電容、電感、溫度、頻率、及壓力等許多物理量,同時廣泛應用在自動控制技術中.
   惠斯登電橋原理在溫度控制技術中的應用若R1、R2、R3為固定電阻,Rx為熱敏電阻,即隨溫度變化的電阻,Rx=R (t)。設室溫t= t0時,Rx= Rx0,當溫度t = t0+Δt時,Rx = Rx0+ΔRx,
         在室溫t0時要預調平衡,即調節(jié)R1、R2和R3,使R1R3=R2Rx0,

          若Rx電阻變化很小,ΔRx<< R1、R2、R3,
        這個電壓Uo是溫度升高引起的,可以用這個電壓Uo去控制溫度調控設備。
惠斯登電橋各橋臂之間的三種典型情況,下面分別進行分析討論:

等臂電橋:R1=R2=R3=Rx0

輸出對稱電橋(電流計端等臂),也稱臥式電橋:當 R1=Rx0,R2=R3

電源對稱電橋(電源端等臂),也稱為立式電橋:當 R1=R2,R3=Rx0,且R1≠R3
         由上三式可以看出,當ΔRx << R1、R2、R3 時,三種電橋的輸出電壓Uo均與成線性關系.  若Rx0、ΔRx相同情況下,等臂電橋、臥式電橋輸出電壓Uo比立式電橋輸出電壓Uo高,故靈敏度也高;而立式電橋測量范圍大,      項看出可以通過選擇R1、R3來擴大測量范圍,R1、R3差距越大,Rx測量范圍也越大。而測量電壓Uo后,計算出ΔRx,從而求得Rx= Rx0+ΔRx 。
 


 
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