惠斯登电桥原理

惠斯登电桥的原理与应用

大学物理基础性实验

乐山电大幸荣安

【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。

一、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R x = 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= R2R x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

1.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.

2.交换测量法:

当比率K不变,R x和R3的位置相互交换,得到R`3= K R x , 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.

四、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.

3.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。

五、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：

①等臂电桥：R1=R2=R3=Rx0 ，（7--6）式变为：

(7--7)

②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)

③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。

参考文献??普通物理学实验讲义? 作者钱昆明张少刚? 电工手册? 作者电工手册编写组