实验4 双臂电桥测量低电阻.docx

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1、实验4双臂电桥测量低电阻用惠斯顿电桥测量中等电阻时，忽略了导线电阻和接触电阻的影响，但在测 量1Q以下的低电阻时，各引线的电阻和端点的接触电阻相对被测电阻来说不可 忽略，一般情况下，附加电阻约为10-510-2Q。为避免附加电阻的影响，本实验 引入了四端引线法，组成了双臂电桥（又称为开尔文电桥），是一种常用的测量 低电阻的方法，已广泛的应用于科技测量中。实验目的1、了解四端引线法的意义及双臂电桥的结构；2、学习使用双臂电桥测量低电阻；3、学习测量导体的电阻率。实验原理1、四端引线法测量中等阻值的电阻，伏安法是比较容易的方法，惠斯顿电桥法是一种精密 的测量方法，但在测量低电阻时都发生了困难。这是

2、因为引线本身的电阻和引线 端点接触电阻的存在。图1为伏安法测电阻的线路图，待测电阻RX两侧的接触 电阻和导线电阻以等效电阻r1、七、七、r4表示，通常电压表内阻较大，r1和r4 对测量的影响不大，而r2和r3与Rx串联在一起，被测电阻（r2+Rx+r3），若r2 和r3数值与Rx为同一数量级，或超过RX，显然不能用此电路来测量R：。 2若在测量电路的设计上改为如图2所示的电路，将待测低电阻RX两侧的接 点分为两个电流接点CC和两个电压接点PP，CC在PP的外侧。显然电压 表测量的是PP之间一段低电阻两端的电压，消除了 r2和r3对RX测量的影响。 这种测量低电阻或低电阻两端电压的方法叫做四端引

3、线法，广泛应用于各种测量 领域中。例如为了研究高温超导体在发生正常超导转变时的零电阻现象和迈斯纳 效应，必须测定临界温度Tc，正是用通常的四端引线法，通过测量超导样品电 阻R随温度T的变化而确定的。低值标准电阻正是为了减小接触电阻和接线电 阻而设有四个端钮。图1伏安法测电阻图2四端引线法测电阻2、双臂电桥测量低电阻用惠斯顿电桥测量电阻，测出的RX值中，实际上含有接线电阻和接触电阻 （统称为）的成分（一般为10-310-4。数量级），通常可以不考虑的影 响，而当被测电阻达到较小值（如几十欧姆以下）时，与所占的比重就明显了。 因此，需要从测量电路的设计上来考虑。双臂电桥正是把四端引线法和电桥的平

4、衡比较法结合起来精密测量低电阻的一种电桥。:1Ri图3双臂电桥测低电阻如图3中，RR2、为被测电阻。Rn哗R丑采电位接点是PP测量时，接上被测电阻Rx，然灌节各桥臂电阻值，使检流计指示逐步为 零，则IG=0，这时I3=I4时,，根据基棒夫定律可写出以下三个回路方程。I R = I - R +1 R 切1 13 N 2 2 11式中r为Cn2伊洛间的线电?Rj将上述三个方程联立求解，可得下式：由此可见，用双臂声桥+电阻云丽结果由等式右边的两项来决定，其中 第一项与单臂电桥相同，1第二项称为更正项。为了更方便测量和计算，使双臂电 桥求Rx的公式与单臂电桥相同，所以实验中可设法使更正项尽可能做到为零

5、。 在双臂电桥测量时，通常可采用同步调节法，令r3/r1=r4/r2，使得更正项能接 近零。在实际的使用中，通常使r1=r2, r3=r4，则上式变为R = RR在这里必须指出，在实际的双臂电桥中，很难做到r3/r1与r4/r2完全相等， 所以Rx和Rn电流接点间的导线应使用较粗的、导电性良好的导线，以使r值尽 可能小，这样，即使R3/R1与R4/R2两项不严格相等，但由于r值很小，更正 项仍能趋近于零。R3、2R为桥臂电阻。4。端引线的接线法比较用的已知标准电阻，R |，电流接点为q、C2,位于外侧；HX为了更好的验证这个结论，可以人为地改变RR2、R3和R4的值，使R1 尹r2, r3r4

6、，并与r1=r2, r3=r4时的测量结果相比较。双臂电桥所以能测量低电阻，总结为以下关键两点：a、单臂电桥测量小电阻之所以误差大，是因为用单臂电桥测出的值，包含 有桥臂间的引线电阻和接触电阻，当接触电阻与Rx相比不能忽略时，测量结果 就会有很大的误差。而双臂电桥电位接点的接线电阻与接触电阻位求、r3和r2、 R4的支路中，实验中设法令RR2、R3和R4都不小于100。，那么接触电阻的 影响就可以略去不计。双臂电桥电流接点的接线电阻与接触电阻，一端包含在电阻r里面，而 r是存在于更正项中，对电桥平衡不发生影响；另一端则包含在电源电路中，对 测量结果也不会产生影响。当满足R3/R1=R4/R2条

7、件时，基本上消除了 r的影 响。实验仪器双臂电桥，被测电阻，导线，螺旋测微计等。实验仪器介绍本实验使用的是QJ44型直流双臂电桥，它的主要用途，是用来测量0.0001 11。的直流电阻，金属导体的电阻率、导线电阻、直流分流器电阻、开关，电器 的接触电阻及各类型电机、变压器的绕线电阻和升温试验等。其技术性能如下：1. 技术性能(1) 总有效量程：0.000111。，分五个量程。(2) 电桥的参考温度为201.5C，参考相对湿度为40%60%。(3) 电桥的标称使用温度为2015C，标称使用相对湿度为25%80%。(4) 在参考的温度和参考相对湿度的条件下，电桥各量限的允许误差极限为：Elim =

8、土(7；(备 + X) ( 1)式中:Elim允许误差极限,。;X标度盘示值,。； C等级指数；Rn基准值，见下表(5) 电桥各量程，有效量程，等级指数和基准值于下表所示。量程因素有效量程()等级指数(C)基准值rn (口)X1001110.210X100.11.10.21X10.010.110.20.1X0.10.0010.0110.50.01X0.010.00010.001110.001(6 )相对湿度在参考条件下，温度超过参考温度范围，但在标称使用范围之内， 由于温度变化引起的附加误差不应超过相应一个等级指数值。(7) 温度在参考条件下，湿度超过参考相对湿度范围，但在标称使用相对湿度 范

9、围之内，由于湿度变化引起的附加误差不应超过相应一个等级指数值的 20%。(8) 电桥的工作电源：220V10%，50Hz；功耗W5W。(9) 内附指零仪，灵敏度可以调节。在测量0.0111。范围内，在规定的电 压下，当被测量电阻变化允许一个极限误差时，指零仪的偏转大于等于一 个分格，就能满足测量准确度的要求。灵敏度不要过高，否则不易平衡， 测量电阻时间过长。(10) 仪器重量：约4.5kg。(11)外形尺寸：308mm X 260mm X 160mm。2.QJ44型双臂电桥各工作部件位置图如图4所电示：6图4(I)(3)(5)78g2)步进读数开关;321QJ44 型 直流职皆财桥插C检流计按

10、划线i电源指示灯；(6)插孔;(7)外接指零(9)检流计电(II) 倍率3 .线路和结构(1)佥流计灵检流计；(8)、(12)被测QJ44型双臂电桥比例臂由乂100、乂10、灯、乂0.数盘由一个十进盘和一个划线盘组成的。集成运放指零仪包括一个放大器、一个调零电位器和一个调节灵敏度电位 器以及一个中心零位的指示表头。指示表头上备有机械调零装置，在测量 前，可预先调整零位。当放大器接通电源后，若表针不在中间零位，可用 调零电位器，调整表针至中央零位。QJ44型双臂电阻电桥的原理线路如图5所示。仪器上有四只接线柱，供接被测电阻。(5) “G外”插座，供外接指零仪使用，当外接指零仪插入插座时，内附指零

11、仪 即被断开。X0.01所组成。读(2)(3)(4)220VB图5o稳压。电路A Be-Rx图64. 使用方法(1) 在机箱的后部电源插座内，接入220V10%, 50Hz交流电，打开旁边的交 流电开关，面板上电源指示灯亮。(2) 将被测电阻，按四端连接法，接在电桥相应的Ci、Pi、P2、C2的接线柱上。 如图6所示，AB之间为被测电阻。(3) 加电后，等待5min，调节指零仪指针指在零位上。(4) 估计被测电阻值大小，选择适当量程位置，先按下“G”按钮，再按下“B” 按钮，调节步进盘和划线读数盘，使指零仪指针指在零位上，电桥平衡，被 测电阻按下式计算：被测电阻值(Rx)二量程因素读数X(步进

12、盘读数+滑线 盘读数)(5) 在测量未知电阻时，为保护指零仪指针不被打坏。指零仪的灵敏度调节旋钮 应放在最底位置，使电桥初步平衡后再增加指零仪灵敏度。在改变指零仪灵 敏度或环境等因素时，有时会引起指零仪指针偏离零位，在测量之前，随时 都应调节指零仪指零。5. 注意事项和维修保养(1) 在测量电感电路的直流电阻时，应先按下“B”按钮，再按下“G”按钮， 断开时，应先端开“ G”按钮，后断开“ B”按钮，以免反冲电势损坏指零 电路。(2) 测量0.1Q以下阻值时，“B”按钮应间歇使用。(3) 在测量0.1。以下阻值时，C1、P1、C2、P2接线柱到被测量电阻之间的联接 导线电阻为0.0050.01

13、。，测量其它阻值时，联接导线电阻应小于0.05 。(4) 电桥使用完毕后，“B”与“G”按钮应松开。关断后板上交流电开关。如电 桥长期不用，应拔出电源线确保用电安全。(5) 仪器长期搁置不用，在接触处可能产生氧化，造成接触不良，最好涂上一 薄层无酸性凡士林，予以保护。(6) 电桥应贮放在环境温度535C。相对湿度20%90%的环境内，室内空气 中不应含有能腐蚀仪器的气体和有害物质。(7) 仪器应保持清洁，并避免直接阳光暴晒和剧烈震动。6. 被测电阻DHSR被测电阻DHSR，四端接法，配有不同的金属试材，并带有长度指示，可用 于测量金属的电阻率。C,C为电流端；P，P为电位端。C，P，P，C接线

14、柱内12121122部分别与样品上4个固定螺钉相连，其中连接C1，C2，P/勺螺钉固定不动，连接 P2的固定螺钉可以在试材上滑动，样品的实测长度艮即为中间两个固定螺钉P1和 P之间的距离。注意：在测试时候，固定螺钉一定要锁紧，减小接触电阻。12实验内容1、接线。将被测电阻，按四端连接法。2、打开电源电源开关，加电后，等待5min，调节检流计指针指在零位上。 在测量未知电阻时，为保护检流计指针不被打坏，检流计的灵敏度调节 旋钮应放在最低位置，使电桥初步平衡后再增加检流计灵敏度。在改变 检流计灵敏度或环境等因素变化时，有时会引起检流计指针偏离零位， 在测量之前，随时都应调节检流计指零。3、测量一段金属试材的电阻Rx先按下“G”按钮，再按下“B”按钮，调节步进盘和划线读数盘，使指 零仪指针指在零位上，电桥平衡，记录电阻阻值。4、记录金属试材的长度L。5、用螺旋测微计测量金属试材的直径d，在不同部位测量五次，求平均值， 根据公式p=nd2R /4L，计算金属试材的电阻率。X6、改变金属试材的长度，重复上述步骤，并比较测量结果。7、改变金属试材重复上述步骤，计算它的电阻率。思考题1、双臂电桥与惠斯通电桥有哪些异同？2、双臂电桥怎样消除附加电阻的影响？3、如果待测电阻的两个电压端引线电阻较大，对测量结果有无影响？4、如何提高测量金属丝电阻率的准确度？