惠斯通电桥测电阻实验改进研究

【摘 要】本文阐述了用惠斯通电桥测电阻的原理，分别用传统电桥法和改进电桥法测量了同一待测电阻的阻值，对实验数据进行了处理，给出了实验结果，对两种测量方法进行了比较研究，总结了改进惠斯通电桥测电阻的优点。

【关键词】惠斯通电桥；测量电阻；实验改进；指针式检流计；数字电压表

电桥是利用比较法进行电磁测量的一种电路连接方式，惠斯通电桥用来精确测量中等阻值（几欧姆至几十万欧姆）的电阻。还可以配合不同的传感器件测量很多非电学量，如温度、压力、加速度等，因此在传感技术中应用极广。但惠斯通电桥中的平衡指示器使用的是指针式检流计，这种指针式仪表，给实验带来诸多不便，若用数字式仪表替代电桥中的指针式检流计，除给实验的操作带来很多方便外，还能大大提高实验的测量精度。

1 原理

惠斯通电桥的原理如图1所示。当电桥平衡时，根据分压器原理可知：

Ubc=Uac■，Udc=Uac■

平衡时，Ubc = Udc 即■=■

整理化简后得到：

R1=■R4 =RX

由上式可知：待测电阻RX等于R2/R3与R4的乘积。电桥由四臂（测量臂、比较臂和比例臂）、检流计和电源三部分组成。与检流计串联的限流电阻RG和开关KG都是为在调节电桥平衡时保护检流计，不使其在长时间内有较大电流通过而设置的。

图1 惠斯通电桥原理图

2 实验仪器改进

在传统的惠斯通电桥测电阻实验中，平衡指示器用的是指针式检流计，如图1所示，若换成四位半数字万用表200mV量程档，拆下限流电阻RG，其他仪器和电路不变。实验将得以改进。

3 数据处理与不确定度计算

实验仪器：AC5/4型指针式检流计，四位半数字万用表200mV量程档，稳压电源（E=2V），4个ZX21型电阻箱。

为了检验测量的准确度，Rx也用的是电阻箱，标称值放500.0Ω。比例臂相同，待测电阻相同。

3.1 数据处理与不确定度计算

测量数据见表1，由于两种测量方法的B类不确定度相同，所以只计算A类标准不确定度。测量结果为：

Rx±uA（Rx）=（499.51±0.10）Ω；Rx改±uA（Rx改）=（500.054±0.011）Ω

表1 数据记录表

3.2 两者实验结果和不确定度比较

从上面的测量结果可以看出，待测电阻的测量值，改进电桥法的测量结果更接近实际值。

待测电阻的A类标准不确定度，传统电桥法是改进电桥法的9.1倍。

4 实验改进研究

改进的惠斯通电桥测电阻与传统的惠斯通电桥测电阻相比较，具有以下优点：

1）电阻R2-R4初值放的不准确，或电路有故障，电压表都不会被烧毁。因为数字电压表有过载保护，不用担心电压表被烧毁。

2）调平衡过程中（电阻箱有断路现象），数字电压表因有过载保护不用担心电压表被烧

毁。

3）读数容易且没有读数误差。由于测量结果直接以数字形式给出，所以示数读出方便，不用估读数据，所以不会产生读数误差。

4）测量速度快。数字电压表的最高测量速度可达每秒钟几万到几十万次。

5）灵敏度高。四位半数字万用表200mV量程档可以分辨10-5V的电压，而AC5/4型检流计电压分辨率约为10-4V，两者相差一个数量级。

6）数字仪表操作简单，测量过程自动化。可以自动地判断极性，带有微机处理器的数字仪表具有自动校零、自动校准、切换量限的功能。

7）不怕振动。数字电压表的电路不怕振动，测量结果不受振动影响。

8）恢复测量状mV量程档态非常容易。

9）大大减小系统误差。由于数字仪表测量时间短，电器元件消耗的焦耳热少，电阻变化就小。所以系统误差大大的减小。

10）测量结果的准确度高。UT56型数字电压表200mV量程档测量直流的准确度可以达到满度值的0.05%，最高的可达0.001%。

11）输入阻抗高，吸收被测量功率很少。UT56型数字电压表200mV量程档输入阻抗可达10MΩ，现代的数字电压表中，基本量限的输入阻抗高达25000MΩ。

12）不用串联限流电阻RG，既节省仪器开支又使电路简单。

13）数字电压表成本低廉。

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[責任编辑：丁艳]