由电桥法测电阻谈误差分析及故障排除

2011-12-28张晓蓉

淮南师范学院学报 2011年3期

关键词：电桥桥臂指针

张晓蓉

（安徽建筑工业学院数理系，安徽合肥 230022）

由电桥法测电阻谈误差分析及故障排除

张晓蓉

（安徽建筑工业学院数理系，安徽合肥 230022）

物理实验是高等学校开设的一门独立的必修课程，通过物理实验的教学，要求学生能掌握比较扎实的实验基本功，学会每个仪器使用。如电桥怎样用，天平怎样称，怎样处理数据现以电桥法测电阻为例加以分析。

物理实验；电桥、灵敏度；误差分析

1 物理实验与理论之间的关系

物理学的基础是实验，但搞实验的人也不能轻视理论的重要性，在物理学史中，有实验走在前面的例子，也有理论先走一步的例子。一个现象通过观测记录加以分析推理得出，形成这一类现象内在的普遍规律的观测就是实验。形成事物的内在普遍规律就是理论。这就是实践理论再实践的法则。如果有自鸣为最完美的理论，在还没有得到实践证明为正确之前只能等一等。假设给过实验证明，它与事实不符，就不能成为成功的理论。在物理学史上这类例子是不少的。如在古希腊时代亚里士多德认为，天体的运动和地上万物的运动，遵循两种不同的力学规律，后来被伽俐略和牛顿的实验观测所否定，物理学毕竟是一门实验的科学，理论是重要的、实验还得先行，这对启发学生的思考是有益的。

2 物理实验课的地位和作用

目前，普通物理实验已发展成为一门独立的课程，对学生开设这门课，不单是因为物理学是一门以实验为基础的科学，重要的是物理实验本身有一套系统的实验知识、方法、习惯和技能，而熟练掌握这些实验方面知识和技能是学生今后进行专业学习或从事相关科研的必备基础。

从多年接触大学新生的情况看，大多数学生实验能力是比较差的，思想上不够重视，不把实验课作为一门课程来对待，以为单纯是验证理论的。学生独立操作能力的训练也很不够，习惯于机械的对照实验讲义所写的步骤照方抓药，碰到稍微复杂的问题通常依赖教师来解决，动手而不动脑占大多数，因而就不能对实验进行分析推理来排除故障。实验操作之后对有效数字的处理及误差分析和列表作图也是一个薄弱环节。普通物理实验第一课通常安排绪论课，着重讲解有效数字、误差分析和作图等数据处理方法，凡此种种都说明加强物理实验课教学是很必要的。

3 实验中的故障及排除方法

如用自组电桥测量电阻，经常会碰到下列一些问题。

3.1检流计指针不动，原因可能是电源回路未接通或“桥”对角线BD断开，如图1所示，排除故障的顺序是：用万用表检查电源有无输出，合上开关K后再检查A、C两点有无电压，最后分段检查“桥”对角线上开关S和导线是否完好。假如仍未查出，则故障肯定是两个桥臂R1、Rx（或R2、Rs）同时不通造成的，查出故障后，可采用相应措施排除。

3.2检流计指针偏向一边，原因可能是电桥的比率臂（倍率）选得不恰当，若是倍率选择不当，则改变倍率的值，就能使指针偏向另一边。如果不论比率臂和比较臂RS取什么值，指针总向一边偏转，即电流总是从D流向B，则四个桥臂中必定有一个桥臂（如R2或Rx）断开，或者同时有两个正对的桥臂（如R2和Rx）断开。这种故障只要用一根完好的导线就可以检查出来，检查前必须事先增大Rn的值以减小电路的工作电流，由图1可知，当用一根导线将某一桥臂短路时，如果检流计的指针反向偏转，则说明该桥臂是断开的；如果检流计的指针偏转方向不变，则说明该桥臂完好；如果检流计的指针不偏转，则说明该桥臂对面的桥臂是断开的。将断开的桥臂接通后，再利用上述结论来判断用导线短路桥臂是否完好，将查出的断开桥臂中坏的导线或电阻换下，故障即能排除。

3.3检流计指针摇摆不定，可能是电路中某一根导线接线端松动，只要重新将各接线端螺丝旋紧，故障就不再出现。

4 误差分析及注意事项

4．1 掌握接线要领

按图1回路对点接线，可将电桥线路分成三步联线，先将桥臂四个电阻构成一个回路，然后在一对角线上接电源（包括开关和滑线变阻器），最后在另一对角线上接检流计。

4．2 学会调节电桥平衡（Ig=0）的方法

设比较臂Rs为某一值R1时，检流计指针偏向一边。当Rs改为另一值R1时，其指针又偏向另一边，则要使指针不偏转，Rs的值必定在R1和R2之间。在读取Rs时，务必使滑线变阻器Rn的值减少至零，以增大电桥的灵敏度。

4.3 学会消除滑线式电桥系统误差的一种方法

4.4 箱式电桥

箱式电桥与线式电桥的差别在于用两组电阻线圈代替了金属线，用线式电桥测电阻时，采取不移动滑键B，交换Rs和Rx的位置，避免了长度测量不准带来的误差。必须按规定选择电桥的工作电压，电源电压低于规定值会使电桥的灵敏度降低，若高于规定值，则可能烧坏桥臂。电阻测量前，先用万用表测量一下电阻的大约值，选取适当的比率系数（倍率）kr，对于第四个度盘最小可为1Ω的QJ23型单臂电桥，可按下表选取倍率kr：

4.5 电桥灵敏度

电桥灵敏度S与比例系数K、电源电压U、桥臂电阻R及检流计的灵敏度有关。可以证明，输入电压越高，检流计灵敏度越高，电桥灵敏度也越高。由于桥臂电阻功耗的限制，输入电压不能过高；另一方面，检流计的灵敏度也是有限的，故电桥灵敏度不能无限提高。电桥灵敏度可由对电桥的分析计算得出，也可由实验测得。由于标准电阻Rs一般不能连续调节，其最小步进值也会影响测量的精度，所以电桥的灵敏度应于Rs相适应。灵敏度太低固然会带来误差，但灵敏度太高了也无必要，否则Rs的不连续性突出出来，反而会造成调节的困难。

4.6 如何选择仪器

现有一只44C4型微安表，其量程为100μA内阻<800Ω，现欲用线式电桥测定该电表内阻Rg的准确性。要求画出测量线路，并大致确定所用仪器的规格。

解：将微安表作为RX接在线式电桥的桥臂上，测出其内阻，不过在线路上应有两点不同。①微安表既当作桥臂，因此，调节滑键改变L1L2或者改变RS的值时，通过微安表的电流大小也随之变化，但当电桥平衡时，通过微安表的电流就不在发生变化达到一个稳定值，这时若断开或接通“桥”对角线上的按钮S，微安表的指针不动，故可用待测微安表来判断电桥是否达到平衡，不再需要“桥”对角线上的检流计。②由于待测微安表允许通过的电流小于100μА，所以要用低电压电源，并将滑线变阻器，由限流接法改为分压接法。

考虑上述特点，可采用图2所示的测量线路，前面已证明当L1=L2或L1=时，测电阻的相对误差最小，此时Rg≈RS允许的最大工作电压为VAC=Ig（Rg+Rs）=2IgRg=2×1×10-4×800=0.16伏，若电源电压为1.5伏，AC选用长为1米的Ф0.45mm康铜丝，（查表可知其电阻约3Ω）则滑线变阻器的负载电阻约为3Ω，其分压比为0.16/1.5=0.1为便于将A、C两点的电压调节在0.16伏左右，选用总电阻为30Ω左右的滑线变阻器最好。