提高惠斯通電橋敏度的方法

[標(biāo)簽:標(biāo)題]篇一：放大系統(tǒng)在惠斯通電橋靈敏度研究中的應(yīng)用放大系統(tǒng)在惠斯通電橋靈敏度研究中的應(yīng)用【摘要】本實驗基于惠斯通電橋原理，在電位比較的基礎(chǔ)上，加入了放大系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)放大系統(tǒng)的電阻，得出了在該模型下且在一定范圍內(nèi)，惠斯通電橋靈敏度具有一定的可調(diào)性，并發(fā)現(xiàn)在該模型下與待測電阻同路的電阻阻值與待測電阻越接近越能獲得高靈敏度，同時給出了此模型最佳適用條件?！娟P(guān)鍵詞】惠斯通電橋靈敏度放大系統(tǒng)一、引言惠斯通電橋是一種用比較法測電阻的精密儀器，可測電阻范圍為幾十到幾十萬歐姆．惠斯通電橋是英國科學(xué)家惠斯通首次使用來測量電阻的，就被稱為惠斯通電橋．而電橋的平衡是依據(jù)檢流計的指針是否為零來判斷的，由于判斷時受到眼睛分辨能力的限制而存在差異，會給測量結(jié)果帶來誤差，影響測量的準(zhǔn)確性．這個影響的大小取決于電橋的靈敏度．惠斯通電橋在科學(xué)測量技術(shù)中應(yīng)用廣泛，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對測量精度的要求越來越高，而惠斯通電橋靈敏度的高低關(guān)系到測量結(jié)果的精確度問題，本實驗從定量的角度對惠斯通電橋的靈敏度進行了探討，并從理論上進行了分析和解釋，目的是為了更好地提高電橋的測量精度。二、實驗設(shè)計原理如圖1所示，本實驗基于惠斯通電橋原理，而側(cè)重點在于可調(diào)性的靈敏度，即設(shè)計出在一定范圍內(nèi)靈敏度可調(diào)的惠斯通電橋。本實驗通過調(diào)節(jié)R1和R4的值來獲得可調(diào)的靈敏度。調(diào)節(jié)R1和R4，將會使電壓表XMM2的讀數(shù)發(fā)生變化，由于經(jīng)過了運算放大器，XMM3的數(shù)值獲得了一定的放大，因此當(dāng)XMM3的兩端電壓發(fā)生一個微小的變化而未發(fā)生指針偏轉(zhuǎn)時，XMM2就有可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在電壓表靈敏度一定的情況下，有效地提高了電橋靈敏度，而ΔXMM2的改變量除以ΔRB/RB，會是當(dāng)時電壓的靈敏度：放大前S=ΔXMM3/(ΔRB/RB)；放大后S=ΔXMM2/(ΔRB/RB)×(（XMM2’/XMM3’+XMM2/XMM3）/2)圖1實驗原理圖三、實驗設(shè)計方案由于實驗器材受限的等若干因素，本實驗未能在實際情況下進行操作，為此本實驗特地選用仿真軟件進行仿真實驗。實驗器材：精密電阻RA(1k)R2（5k）R3（10k）可變電阻箱R1(100k)R4（500k）RB（1k）經(jīng)過粗測的電阻4組RT100、1k、10k、100k精密電阻RC2只1k、50k電壓表3只、運算放大器、電源、導(dǎo)線若干實驗內(nèi)容：1.如附圖構(gòu)架電路模型2.接通電路；3.調(diào)節(jié)R1和R4，使得XMM2的讀數(shù)絕對值在3~12伏之間，記錄此時的R4、R1；4.記錄XMM1、XMM2、XMM3；5.改變RB的電阻，使其產(chǎn)生一個微小的變化量ΔRB，并記錄此時的RB’到表格當(dāng)中；6.記錄此時XMM1、XMM2、XMM3的讀數(shù)，記為XMM1’、XMM2’、XMM3’；7.改變RC與RT的組合進行上述實驗。四、實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析4.1原始數(shù)據(jù)記錄實驗原始數(shù)據(jù)記錄表1RC/RTR1R4XMM1XMM2XMM3XMM1'XMM2'XMM3'RBRB'1k/100961601.08410.8136.8651.08410.8386.88122.0121/100461051.08410.9024.8591.08410.9344.87311.011/1k26905.80710.4492.0865.80710.4282.0821.9951/1261905.80711.3990.155.80711.4030.16511.0051/102229510.28610.89610.32810.28610.94210.32422.0031/102829510.28610.9634.27610.28610.9354.27311.00150k/1k50700.22110.4697.6750.22110.4767.6822.00450/136700.22110.8435.7010.22110.8485.70411.00250/101001601.28910.0456.6641.28910.0476.66522.00150/101002251.28910.0124.6851.28910.0184.68811.00150/100901902.48911.1225.4642.48911.1245.46522.00150/1002001902.4895.2795.492.4895.285.49122.0014.2未經(jīng)過放大系統(tǒng)的靈敏度計算S1=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(6.881-6.865)/((2.012-2)/2)=2.7S2=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(4.873-4.859)/((1.01-1)/1)=1.4S3=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(2.086-2.08)/((2-1.995)/2)=2.4S4=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(0.165-0.15)/((1.005-1)/1)=3.0S5=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(10.328-10.324)/((2.003-2)/2)=2.7S6=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(4.276-4.273)/((1.001-1)/1)=3.0S7=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(7.68-7.675)/((2.004-2)/2)=2.5S8=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(5.704-5.701)/((1.002-1)/1)=1.5S9=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(6.665-6.664)/((2.001-2)/2)=2.0S10=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(4.688-4.685)/((1.001-1)/1)=3.0S11=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(5.465-5.464)/((2.001-2)/2)=2.0S12=ΔXMM3/(ΔRB/RB)=(5.491-5.49)/((2.001-2)/2)=2.0從上面的計算可得未經(jīng)過放大系統(tǒng)靈敏度與電阻的關(guān)系見表2未經(jīng)過放大系統(tǒng)靈敏度與電阻的關(guān)系數(shù)據(jù)記錄表2RC/RT1k/100S2.51.52.03.02.02.01k/1k1k/10k50k/1k50k/10k50k/100kRB=2k2.72.42.7RB=1k1.43.03.0由表2得到未經(jīng)過放大系統(tǒng)靈敏度與電阻的關(guān)系圖2：圖24.3經(jīng)過放大系統(tǒng)之后的靈敏度計算S1=ΔXMM2/(ΔRB/RB)×(（XMM2’/XMM3’+XMM2/XMM3）/2)=(10.838-10.813)/((2.012-2)/2)×((10.838/6.881+10.813/6.865)/2)=6.6S2=ΔXMM2/(ΔRB/RB)×(（XMM2’/XMM3’+XMM2/XMM3）/2)=(10.934-10.902)/((1.01-1)/1)×((10.934/4.873+10.902/4.859)/2)=7.2S3=ΔXMM2/(ΔRB/RB)×(（XMM2’/XMM3’+XMM2/XMM3）/2)=(10.449-10.428)/((2-1.995)/2)×((10.428/2.08+10.449/2.086)/2)=42.1S4=ΔXMM2/(ΔRB/RB)×(（XMM2’/XMM3’+XMM2/XMM3）/2)=(11.403-11.399)/((1.005-1)/1)×((11.403/0.165+11.399/0.15)/2)=58.0S5=ΔXMM2/(Δ電橋靈敏度的因素..........................................................................................12改變?nèi)我庖粋€橋臂的阻值，所測得的靈敏度是否相同......................................14用實驗方法測定電橋靈敏度時，檢流計偏轉(zhuǎn)???的取值與電橋靈敏度的關(guān)系.157.8.9.實驗的改進與感想.........................................................................................................15參考文獻.........................................................................................................................16原始數(shù)據(jù).........................................................................................................................16摘要：本報告以惠斯通電橋法測量中等數(shù)值電阻的實驗為出發(fā)點，在測量中電阻的過程中深入思考了電橋平衡條件以及實驗操作中的一些問題。同時對電橋靈敏度進行了較為透徹的分析與研究，對該實驗的正確操作與嚴(yán)格的數(shù)據(jù)處理具有重要的意義。并根據(jù)操作實驗的經(jīng)歷對本實驗的實驗儀器和操作提出了自己的想法。關(guān)鍵字：惠斯通電橋、電橋靈敏度分析探究、不確定度合成、實驗改進0.引言用伏安法測量電阻，往往達不到很高的測量精度。一方面是由于線路本身存在缺點，另一部分是由于電壓表和電流表本身的精度有限。為了精確測量電阻，必須對測量線路加以改進，電橋法就是常用的電阻測量方法。通常使用的電橋有惠斯通單電橋和開爾文雙橋，惠斯通電橋主要用于測量中等數(shù)值的電阻(10~106Ω)；開爾文雙電橋用于測量低值電阻(10-6~10Ω)。電橋法是一種用比較法進行測量的方法，它是在平衡條件下將待測電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻進行比較以確定其待測電阻的大小。電橋法具有靈敏度高、測量準(zhǔn)確、方法巧妙、使用方便和對電源穩(wěn)定性要求不高等特點，已被廣泛地應(yīng)用于電工技術(shù)和非電量電測中。1.實驗原理1.1惠斯通電橋原理圖圖1惠斯通電橋電路原理圖圖1所示為惠斯通于1843年提出的電橋電路。它由4個電阻和檢流計組成，????為精密電阻，????為待測電阻。接通電路后，調(diào)節(jié)??1、??2和????，使檢流計中電流為零，電橋達到平衡。1.2電橋平衡條件電橋平衡時，有????=0則??????=????????????=??????由歐姆定律得：????????=??1??1????????=??2??2檢流計中無電流流過，故??1=??2????=????整理得：或????=????????=??1??2??1??2????(1-1)????2通常稱??1/??2為比例臂，而????稱為比較臂，??=1為倍率。所以電橋由橋臂、檢流計和電源三部分組成。由于電橋平衡須由檢流計示零表示，故電橋測量方法為零示法，零示法的測量精度較高。又由于電橋測電阻的過程是??點點位與??點點位進行比較(由示零器指示其比較結(jié)果)，經(jīng)過調(diào)節(jié)直到兩點電壓為零——電橋達到平衡的過程。電橋一旦平衡便可由三個已知電阻定出一個未知電阻。測量過程即電壓比較過程，故電橋測量又是電壓比較測量。惠斯通電橋測量電阻的主要