惠斯通电桥测量电阻仿真实验设计

丰　远，徐　琳，边　健，刘　慧

(合肥学院 数学与物理系，合肥　230601)



惠斯通电桥测量电阻仿真实验设计

丰远，徐琳，边健，刘慧

(合肥学院 数学与物理系，合肥230601)

摘要：利用Visual Basic编程语言设计了惠斯通电桥测电阻的仿真实验程序，该程序可以为使用者提供多种交互方式，并生成独立的可执行文件，该文件可通过配置包集成于大学物理实验课程预习系统从而便于学生利用校园网络进行实验的预习和复习。

关键词：惠斯通电桥；仿真实验；Visual Basic

1仿真实验分析

测量未知电阻的阻值可以采用伏安法，但是这种测量方法受到电表内阻的影响，无论采用电流表内接或外接，总会带来系统误差。如何使表内无电流流过，而又能把待测电阻阻值测量准确？一个很有效的电路就是惠斯通电桥电路，因此各理工科院校均开展用惠斯通电桥测量中值电阻的实验[1]。基于Visual Basic编程语言提供的可视化编程界面可以很方便的进行惠斯通电桥测电阻仿真实验设计，其主要特点在于：采用可视化程序设计思想，不必用大量代码去描述界面元素的外观和位置；基于面向对象的事件驱动编程机制因此具有高度的可扩充性[2]。

惠斯通电桥测中值电阻的实验目的是掌握惠斯通电桥结构特点及测电阻原理；学会正确使用箱式电桥测量电阻；理解电桥灵敏度概念等。围绕上述实验目的，本仿真实验着重介绍了惠斯通电桥原理、电桥灵敏度概念、交换测量法、实验步骤、注意事项，并给出虚拟的惠斯通电桥装置。

2仿真实验设计过程

2.1总体框架

仿真实验项目由四部分组成，分别为：仿真实验室界面(Form1)、仿真电桥界面(Form2)、外接检流计调整界面(Form3)和实验测量界面(Form4)。

2.2仿真实验室界面

仿真实验室界面(Form1)为引导式菜单界面。通过单击右上角问号图标或者单击鼠标右键出现弹出式菜单，菜单项目依次为：实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容与步骤、思考题等。惠斯通电桥测电阻仿真实验室界面如图1所示，关键程序设计如下：

Private Sub Form_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single)

If Button = 2 Then单击鼠标右键

Form1.PopupMenu sycd 弹出式菜单

End If

End Sub

图1　惠斯通电桥测电阻仿真实验室界面

2.3直流单臂电桥仿真实现

惠斯通电桥主要由比例臂(倍率旋钮)、比较臂(标准可变四旋钮电阻箱)、测量臂(待测电阻Rx)和检流计组成[3]。

2.3.1比较臂阻值调整过程

比较臂由标准可变四旋钮电阻箱构成，最小改变量为1Ω，倍率分别为1、10、100、1000，其调整设计思路如下：加载四幅旋钮图片(Image2—Image5)，初始位置均指零，在Image属性窗口中将MousePointer属性设置为99-Custom，即用户自定义。当鼠标移动至旋钮位置即可出现旋转指示图标，旋转分为顺时针和逆时针旋转，单击鼠标右键可以切换两种旋转方式并出现不同的图标指示(左手代表顺时针旋转，右手代表逆时针旋转)，在不同旋转方式下点击旋钮图片响应 Image_Click事件，依次加载不同阻值的图片，改变阻值大小。仿真单臂直流电桥如图2所示，以下是倍率为1的旋钮属性设置及鼠标右键单击程序[4]：

Private Sub Image2_MouseUp(Button As Integer, Shift As Integer, X As Single, Y As Single)

Static m As Integer

m = m + 1

n = m Mod 2

If n = 0 Then

If Button = 2 Then按下鼠标右键

Option1.Value = True 单选按钮1选中，定义旋钮顺时针旋转

x1 = x1 - 1

Image2.MouseIcon = LoadPicture(App.Path + "L.cur") 出现左手图标：提示旋钮顺时针旋转

End If

ELseIf n = 1 Then

If Button = 2 Then 再次按下鼠标右键

Option2.VaLue = True 单选按钮2选中，定义旋钮逆时针旋转

x1 = x1 + 1

Image2.MouseIcon = LoadPicture(App.Path + "R.cur")出现右手图标：提示旋钮逆时针旋转

End If

图2　仿真直流单臂电桥

上述程序可以识别鼠标单击状态，右键单击改变旋转方式(顺时针或逆时针)，左键单击改变旋钮的阻值大小(0—9)，以下为鼠标左键单击程序：

Private Sub Image2_CLick() 鼠标左键单击旋钮图片

If Option1.VaLue = True Then单选按钮1属性为真(顺时针)

x1 = x1 + 1

Dim t As Integer

t = x1 Mod 10

If t = 0 Then加载顺时针旋转图片

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 0.jpg") 阻值数字“0”

ELseIf t = 1 Then

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 1.jpg")阻值数字“1”

ELseIf t = 2 Then

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 2.jpg")阻值数字“2”

……

End If

ELseIf Option2.VaLue = True Then单选按钮2属性为真(逆时针)

x1 = x1 - 1

t = x1 Mod 10

If t = 0 Then 加载逆时针旋转图片

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 0.jpg") 阻值数字“0”

ELseIf t = 1 Then

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 1.jpg") 阻值数字“1”

ELseIf t = 2 Then

Image2.Picture = LoadPicture(App.Path + "x1x1 2.jpg") 阻值数字“2”

……

End If

同理，利用以上编程方法可以实现倍率为10、100、1000的比较臂阻值和比例臂数值的改变。

2.3.2比较臂、比例臂阻值大小确定

比较臂阻值大小的确定较为简单，将5个文本框(Text1—Text5)添加到窗体Form2上，在属性窗口中将VisibLe属性设置为FaLse，即运行时不可见。当不同倍率旋钮图片点击加载时，分支语句判断条件“t”值即为旋钮指示值(0—9)再乘以其相应倍率，最后将比较臂四个旋钮阻值相加输出到Text5文本框。比较臂阻值确定程序如下：

Private Sub Image2_CLick() 倍率为1的旋钮点击

Text1.Text = t

Text5.Text = VaL(Text1) + VaL(Text2) + VaL(Text3) + VaL(Text4)

End Sub

Private Sub Image3_CLick() 倍率为10的旋钮点击

Text2.Text = t*10 文本框数值乘以10

Text5.Text = VaL(Text1) + VaL(Text2) + VaL(Text3) + VaL(Text4)

End Sub

同理，利用上述方法可以确定比例臂的数值。

2.4检流计的调整和待测电阻测量

惠斯通电桥实验中既可以使用内置检流计也可以使用外接检流计，其调整和使用方法类似，即先调零，测量时先按下B键(电源开关)再按G键(检流计开关)，反复通断看示零器指针变化，分析比较臂阻值是偏大还是偏小，从而有针对性的调节，使得电桥尽快平衡。

为实现以上功能，仿真设计如下：检流计指针使用VB画线控件Line代替，在属性窗口中把边框颜色(BorderCoLors)属性值设置为红色，线段宽度(BorderWidth)设为1。坐标点(X1，Y1)和(X2，Y2)确定其两个端点的位置，固定下端坐标(X2，Y2)，只改变上端坐标(X1，Y1)，鼠标点击“电计”按钮(LabeL3)，程序判断比较臂阻值大小，根据电流情况改变检流计指针[5]。实验测量界面如图3所示，主要程序设计如下：

图3　实验测量界面

Private Sub LabeL3_CLick()单击“电计”按钮

Dim R0 As Integer ；Dim K As SingLe ；Dim R1 As SingLe

K = VaL(Text6) 比例臂数值

R0 = VaL(Text5)比较臂数值

R1 = K * R0 待测电阻值

If R1>= 0 And R1 < 10 Then

Line1.X1 = 8880 ；Line1.Y1 = 3720 检流计指针左满偏

Line1.X2 = 9720 ；Line1.Y2 = 4080

ELseIf R1>= 10 And R1 < 20 Then

Line1.X1 = 9400 ；Line1.Y1 = 3360

Line1.X2 = 9720 ；Line1.Y2 = 4080

……

ELseIf R1=176 Then待测电阻值设为176Ω

Line1.X1 = 9720 ；Line1.Y1 = 3360检流计指针指零

Line1.X2 = 9720 ；Line1.Y2 = 4080

……

ELseIfR >= 380 Then

Line1.X1 = 10560 ；Line1.Y1 = 3720检流计指针右满偏

Line1.X2 = 9720；Line1.Y2 = 4080

End If

End Sub

此时可以在实验测量界面菜单栏中利用InputBox函数输入结果，程序会判断结果正确与否。

2.5仿真实验网络在线预习

惠斯通电桥测电阻仿真实验程序通过运行后，可将工程编译成能脱离VB环境而独立运行的可执行程序，该程序可以通过配置包的方式集成于大学物理实验预习大厅中，网络在线预习界面如图4所示。该大厅可以通过校园网络进行下载使用，下载地址为：http://172.21.11.215:8710。

图4　网络在线预习界面

3结论

惠斯通电桥测电阻仿真实验程序设计简单，操作界面友好，并可将其与现有的大学物理实验网络预习平台整合，学习者可以通过在线实验预习环境，了解实验原理、实验内容、熟悉实验仪器，对实验环境建立直观认识。这样使得它可以很好的服务于大学物理实验课前的预习和模拟操作，提高了学生的学习兴趣，从而发挥了模拟实验和真实实验虚实结合、相互补充的优点[7]。

参考文献：

[1]赵青生，汪洪，夏传鸿，等.新编大学物理实验 [M]. 合肥:安徽大学出版社，2009：134-135.

[2]孙家启，潘地林. VisuaL Basic 程序设计教程[M]. 合肥: 安徽大学出版社，2002：2-3.

[3]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M]. 北京:高等教育出版社，1985:268-269.

[4]Eric BrierLey. VisuaL Basic 6开发人员指南[M]. 北京:机械工业出版社,1999 ：203-204.

[5]丰远. 基于VB的十一线式电位差计仿真实验设计[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2010，28(3)：479.

[6]杨述武. 普通物理实验：二、电磁学部分[M]. 北京:高等教育出版社，2000:68.

[7]唐锋意，张翼. 大学物理仿真实验在民族医学院校中的应用浅谈[J].大学物理，2011,30(2):32.

[责任编辑：张永军]

The Design of Simulated Experiment of Measuring Electrical Resistance with Wheatstone Bridge

FENG Yuan，XU lin，BIAN jian，LIU hui

(Department of Mathematics and Physics, Hefei University, Hefei 230601,China)

Abstract:In this paper，the simulated experiment of measuring electrical resistance with Wheatstone bridge was designed by software of Visual Basic. The program will provide users multi-way of interactive and generated independent executable files, which can be easily built in preview system of physical experiment course in universities. Therefore students can preview and review experiments conveniently based on the existing network in universities.

Key words:Wheatstone bridge; simulated experiment; Visual Basic

中图分类号：TN606

文献标识码：A

文章编号：1673-162X(2016)01-0081-05

作者简介：丰远(1983—)，男，安徽合肥人，合肥学院数学与物理系助理实验师，硕士；研究方向：计算机辅助教学。

基金项目：合肥学院科学研究发展基金(14KY15ZR)资助。

收稿日期：2015-09-08修回日期：2015-11-30