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电桥及电桥在测量 中的应用. 物理实验中心. 实 验 目 的. 1. 掌握惠斯登电桥、开尔文电桥的原理和 它们的不同特点 2. 学习利用自组惠斯登电桥测量中值电阻 3. 学习利用箱式惠斯登电桥测量中值电阻 4. 学习利用开尔文电桥测量低值电阻 5. 学习桥式电路的误差分析 6. 学习交换法减小误差的原理 7. 学习利用最小二乘法处理数据. 目 录. 一、概述. 二、利用单臂电桥进行测量. 三、利用双臂电桥进行测量. 四、电桥应用. 一、 概 述. 早在 1833 年就有人提出基本的电桥网络,但是一
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电桥及电桥在测量 中的应用 物理实验中心
实 验 目 的 1. 掌握惠斯登电桥、开尔文电桥的原理和 它们的不同特点 2. 学习利用自组惠斯登电桥测量中值电阻 3. 学习利用箱式惠斯登电桥测量中值电阻 4. 学习利用开尔文电桥测量低值电阻 5. 学习桥式电路的误差分析 6. 学习交换法减小误差的原理 7. 学习利用最小二乘法处理数据
目 录 一、概述 二、利用单臂电桥进行测量 三、利用双臂电桥进行测量 四、电桥应用
一、 概 述 早在1833年就有人提出基本的电桥网络,但是一 直未引起注意,直到1843年惠斯登才加以应用,后人称 之为惠斯登电桥。惠斯登电桥是最基本的直流电桥,主 要由比例臂、比较臂、检流计等构成。测量时将被测量 与已知量进行比较而得到测量结果。 开尔文电桥又称双臂电桥,它是在惠斯登电桥的 基础上发展起来的,它可以减小附加电阻对测量的影响, 因此常用来测量低值电阻。 返回
二、利用单臂电桥进行测量 1、单臂电桥的工作原理 2、单臂电桥的实验内容 3、单臂电桥的实验线路及仪器介绍 4、单臂电桥的实验误差及减小误差 的办法 5、仪器使用和测量注意事项
1、单臂电桥的工作原理 惠斯登电桥又称单臂电桥,是用比较法测量电阻的仪器。主要由比例臂、比较臂、检流计三部分构成。测量时将被测量与已知量进行比较而得到测量结果,因而测量精度高。由于它的测量方法十分巧妙,使用方便,所以应用十分广泛。 单臂电桥的测量范围:
D B 返回 单 臂 电 桥 工作原理图 比例臂 比较臂 当D、B间的电位相等时,检流计G无 电流流过,各电阻间有如下关系:
2、单臂电桥的实验内容 (1)、 自搭惠斯登电桥测量未知电阻 (2)、 利用交换法进行未知电阻的测量 (3)、 直接利用箱式惠斯登电桥测量未 知电阻,并确定电桥的灵敏度 返回
3、单臂电桥的实验线路及仪器介绍 电阻箱 电阻箱 D 检流计 电阻箱 B 滑线变阻器 电池盒
返回 箱式惠斯登电桥
4、单臂电桥的实验误差及减小误差 的办法 单臂电桥的测量误差主要来自以下两个方面: (1)、电阻箱本身的误差 (2)、桥路灵敏度带入的测量误差
(1)、电阻箱的误差 电阻箱的误差由下式近似给出: 这部分误差主要来自于电阻箱上6个电阻盘 之间的接触误差, 且电阻越小, 则误差越大。
(2)、桥路灵敏度带入的测量误差 电桥灵敏度的定义为: 将上式改写为: 下一页
即灵敏度可以表示为检流计灵敏度和桥 路灵敏度的乘积: 检流计灵敏度由厂家给出,而桥路的灵敏度则为: 下一页
减小测量误差的方法 (1)、选择合适的桥臂电阻 综上所述,可以给出如下结论: 桥臂电阻太小,会增加电阻箱本身误差引入的测量误差,同时不能满足测量结果所需的有效位数。 桥臂电阻太大,则测量的灵敏度将大大下降。 本实验的选择的原则: 在满足测量有效位数的前提下尽可能取小。
(2)、利用交换法进行测量 交换前有: 它的不确定度为: 下一页
返回 交换后有: 将交换前后两式相乘有: 此时的不确定度为: 可见交换法可以有效的减小误差
5、仪器使用和测量注意事项 (1)、 AC-5型灵敏检流计 (2)、 箱式惠斯登电桥电桥 (3)、测量中应注意的问题
(3)、 测量中应注意的问题 ① 检流计平衡指示调零时,指针锁动钮 必须处于开启状态,使用结束后应置 于关闭状态 ② 滑线变阻器R的作用是改变桥路的灵 敏度(即改变E)。在测量读数时R=0 此时灵敏度最高。 返回
三、利用双臂电桥进行测量 1、双臂电桥的工作原理 2、实验仪器介绍 3、实验内容 4、最小二乘法简介及数据 处理要求
1、双臂电桥的工作原理 双臂电桥也称凯尔文电桥,它是在惠 斯登电桥的基础上发展起来的,它使用了四 端钮电阻,可以消除附加电阻对测量结果的 影响,双臂电桥一般用来测量 1 以下 的低值电阻。 双臂电桥是如何消除附加电阻对测量 结果的影响的呢?
若满足: 则有凯尔文电桥的平衡公式: 为了保证 这一条件永远满足 实际的电桥中,此部分做成了一种特殊的结构, 将 采用所谓的双十进电阻箱。在这种电阻 箱里,转轴在任一位置都保持 。 和 可用两个电阻箱将将其调到两相等的定值 。 返回
2、实验仪器介绍 本实验使用了两种仪器: (1)、QJ44型双臂电桥 (2)、DHSR四端电阻器 返回
3、实验内容 (1)、用QJ44型双电桥测量给定金属棒的阻值 (2)、利用图示法或最小二乘法处理测量测量数据。 利用公式: 求出金属棒的电阻率,及不确定度,并对 结果进行讨论。 返回
4、最小二乘法简介及数据处理要求 (1)、什么是最小二乘法 本实验所使用的最小二乘法实际上是一元线性回归问题。 以直线方程为例,如果确定了斜率和截距实际上也就确 定了直线。所以一元线性回归(线性拟合)就是通过实 验数据 确定斜率和截距的过程。 最小二乘法认为: 若最佳拟合的直线为 ,则所测各值 与拟合直线 上各相应点 之间偏离的平方和最小,即:
(2)、如何用最小二乘法求出直线的斜率和截距(2)、如何用最小二乘法求出直线的斜率和截距 通常直线方程可以写成如下的形式: 假定我们对 和 进行了 次测量,即 我们的问题是如何通过实验数据求出斜率b和截距a 。
如果测量没有误差,则等式两边应该相等 但事实上测量时的误差是肯定存在的,为了简化问题的 讨论我们假定我们假定在x, y的直接测量量中,只有y存 在明显的随机误差,x的误差小到可以忽略。我们把这 些测量归结为y的测量偏差以v1,,v2,…,vn表示。这 样就的到了误差方程组 根据最小二乘法原理可知,当 为最小时,解出的 常数a、b为最佳值。
只要满足下列条件: 就可以得到:
(3)、如何用最小二乘法求出电阻率 将电阻率的表达式改写成: 其中: 这是一个直线方程的特列,我们可以利用 公式直接求出b。
四、电桥应用 电桥除了可以直接对电阻进行测量外,还可以 通过传感器对非电量进行测量,例如温度、湿度、应 变等,在非电量的测量中有着广泛的应用。 除了本实验介绍的直流电桥外,利用桥式电路 还可以组成交流电桥,对一些交流电路原件,像电容、 电感等进行测量。 返回
(1)、 AC-5型灵敏检流计 线路接入钮 线路接入钮 零点调节钮 平衡指示 指针锁动搬钮 露出白点:锁住 露出红点:开放 短路键 电计键 接触式连通 返回
(2)、 箱式惠斯登电桥 倍率选择钮 千位钮 平衡指针 调零钮 百位钮 十位钮 平衡指示 个位钮 电源键B 电计键G 电阻接入钮 电阻接入钮 返回