香港连续剧2016:直流双臂电桥的工作原理

直流双臂电桥的工作原理

　　直流双臂电桥又叫凯尔文电桥，其工作原理电路如图1所示，图中Rx是被测电阻，Rn是比较用的可调电阻。Rx和Rn各有两对端钮，C1和C2、Cn1和On2是它们的电流端钮，P1和P2、Pn1和Pn2是它们的电位端钮。接线时必须使被测电阻Rx只在电位端钮P1和P2之间，而电流端钮在电位端钮的外侧，否则就不能排除和减少接线电阻与接触电阻对测量结果的影响。比较用可调电阻的电流端钮Cn2与被测电阻的电流端钮C2用电阻为r的粗导线连接起来。R1、R1'、R2和R2'是桥臂电阻，其阻值均在lOΩ以上。在结构上把R1和R'1以及R2和R2'做成同轴调节电阻，以便改变R1或R2'的同时，R1'和R2'也会随之变化，并能始终保持

　　测量时接上RX调节各桥臂电阻使电桥平衡。此时，因为Ig＝0，可得到被测电阻Rx为

　　图1 直流双臂电桥工作原理电路

　　可见，被测电阻Rx仅决定于桥臂电阻Rz和R1的比值及比较用可调电阻Rn而与粗导线电阻r无关。比值R2/R1称为直流双臂电桥的倍率。所以电桥平衡时

　　被测电阻值=倍率读数×比较用可调电阻读数

　　因此，为了保证测量的准确性，连接Rx和Rn电流端钮的导线应尽量选用导电性能良好且短而粗的导线。

　　只要能保证 ，R1、R1'、R2和R2'均大于1OΩ，r又很小，且接线正确，直流双臂电桥就可较好地消除或减小接线电阻与接触电阻的影响。因此，用直流双臂电桥测量小电阻时，能得到较准确的测量结果。

实验简介

电阻按照阻值大小可分为高电阻(100KW以上)、中电阻(1W ～100KW)和低电阻(1W 以下)三种。一般说导线本身以及和接点处引起的电路中附加电阻约为>0.1W，这样在测低电阻时就不能把它忽略掉。对惠斯通电桥加以改进而成的双臂电桥(又称开尔文电桥)消除了附加电阻的影响，适用于10^-5~10² W电阻的测量。本实验要求在掌握双臂电桥工作原理的基础上，用双臂电桥测金属材料的电阻率。

实验原理

我们考察接线电阻和接触电阻是怎样对低值电阻测量结果产生影响的。例如用安培表和毫伏表按欧姆定律R＝V／I测量电阻Rx，电路图如图 1 所示，

考虑到电流表、毫伏表与测量电阻的接触电阻后，等效电路图如图 2 所示。

由于毫伏表内阻Rg远大于接触电阻R_i3和R_i4,因此他们对于毫伏表的测量影响可忽略不计，此时按照欧姆定律R＝V／I得到的电阻是（Rx+ R_i1+ R_i2）。当待测电阻Rx小于1W时，就不能忽略接触电阻R_i1和R_i2对测量的影响了。

因此，为了消除接触电阻对于测量结果的影响，需要将接线方式改成下图 3方式，将低电阻Rx以四端接法方式连接，等效电路如图 4 。此时毫伏表上测得电眼为Rx的电压降，由Rx = V/I即可准测计算出Rx。接于电流测量回路中成为电流头的两端(A、D)，与接于电压测量回路中称电压接头的两端(B、C)是各自分开的，许多低电阻的标准电阻都做成四端钮方式。

根据这个结论，就发展成双臂电桥，线路图和等效电路图 5和图 6所示。 标准电阻Rn电流头接触电阻为R_in1、R _in2，待测电阻Rx的电流头接触电阻为R_ix1、R _ix2，都连接到双臂电桥测量回路的电路回路内。标准电阻电压头接触电阻为R_n1、R _n2，待测电阻Rx电压头接触电阻为R_x1、R_x2，连接到双臂电桥电压测量回路中，因为它们与较大电阻R₁、R ₂、R₃、R相串连，故其影响可忽略。

由图 5 和图 6 ，当电桥平衡时，通过检流计G的电流I_G = 0, C和D两点电位相等，根据基尔霍夫定律，可得方程组（1）

                                   (1)

解方程组得

               (2)

通过联动转换开关，同时调节R₁、R ₂、R₃、R，使得 成立，则（2）式中第二项为零，待测电阻R_x和标准电阻R_n的接触电阻R_in1、R _ix2均包括在低电阻导线R_i内，则有

                                             (3)

实际上即使用了联动转换开关，也很难完全做到 。为了减小(2)式中第二项的影响，使用尽量粗的导线以减小电阻R_i的阻值(R_i<0.001W)，使(2)式第二项尽量小，与第一项比较可以忽略，以满足(3)式。

学习重点

n        熟悉双臂电桥的原理、特点和接线方法。

n        掌握测量低电阻的特殊性和采用四端接法的必要性。

n         了解金属电阻率测量方法的要点。

实验仪器

本实验所使用仪器有 QJ36型双臂电桥（0.02级）、JWY型直流稳压电源 （5A15V）、电流表（5A）、R_P电阻、双刀双掷换向开关、0.001W标准电阻（0.01级）、超低电阻（小于0.001W)连接线、低电阻测试架（待测铜、铝棒各一根）、直流复射式检流计（AC15/4或6型）、千分尺、导线等。

双臂电桥面板

棒材金属测试架

实验内容

用双臂电桥测量金属材料（铜棒、铝棒）的电阻虑r，先用（3）式测量Rx,再用 求r。

1．将铜棒安装在测试架上，按实验电路图接线。选择长度为50cm，调节R₁，R₂为1000W,调节R使得检流计指示为0，读出此时R的电阻值。利用双刀开关换向，正反方向各测量3组数据。

2．选取长度40cm,重复步骤1。

3．在6个不同的未知测量铜棒直径并求D的平均值。

4．计算2种长度的 和r，再求 。

5．取40cm长度，计算测量值r的标准偏差。

6．将铜棒换成铝棒，重复步骤1至5。

实验电路图

注意事项

n        按线路图电流回路接线，标准电阻和未知电阻连接到双臂电桥时注意电压头接线顺序。

n        先将铝棒(后测铜棒)安装在测试架刀口下面，端头顶到位螺丝拧紧。

n         检流计在X1和X0.1档进行调零、测量，不工作时拨到短路档进行保护。

思考题

n        如果将标准电阻和待测电阻电流头和电压头互换，等效电路有何变化，有什么不好？

n         在测量时，如果被测低电阻的电压头接线电阻较大（例如被测电阻远离电桥，所用引线过细过长等），对测量准确度有无影响？

设计性内容

n       

            自行设计一种简单易行的测量低电阻方法。将测量结果与双臂电桥测量结果进行比较与评价。