直流单臂电桥的使用与分析

模块2直流单臂电桥的使用与分析一、教学目标终极教学目标：熟悉直流单臂电桥测量电阻的操作步骤，分析其工作原理。促成教学目标：熟练掌握欧姆定律的应用理解电阻的串、并联特性掌握电阻混联电路的分析和计算过程动手采用直流单臂电桥测量电阻，理解其工作原理二、工作任务能采用直流单臂电桥测量电阻，当直流单臂电桥检流计指示值为零的时候，计算各电阻中电流的大小。三.实践知识:直流单臂电桥电阻元件是直流电路中最重要的元件之一，有关电阻值的测量方法也多种多样。通常最普遍的方法是直接采用万用表来测量，只不过测量的结果误差较大；实验室里往往采用伏安法来测量，步骤比较烦琐；要想精确的测量电阻阻值，直流电桥是最佳的测量仪表。直流电桥按其功能可分为直流单臂电桥和直流双臂电桥，其中直流单臂电桥主要适合精确测量1Ω以上的电阻，所以使用比较广泛。1.直流单臂电桥简易原理图图1-24是直流单臂电桥简易原理图，当电桥检流计指示值为零的时候，才可以进行读数。图1-24直流单臂电桥简易原理图2.直流单臂电桥外壳上的部件1)检流计指针:当有电流流过检流计时,指针会发生偏转,流过电流的方向不同,指针偏转的方向也不同。2)比例臂旋钮、比较臂旋钮：分别连接R1以及R2、R3电阻（实际电路中电阻有多组），通过调节旋钮可以选择相应的电阻与之相连接，最后的Rx读数为比例臂和比较臂读数的乘积。调零器：用以测量前的指针调零工作。必须先将检流计锁扣打开，才能进行调零。Rx接线柱：用以接被测电阻。检流计连接片：通常放在“外接”位置。为提高在高阻值测量中的精度，需外接高灵敏度检流计时，应将连接片放在“内接”位置，外接检流计接在“外接”两端钮上。检流计按钮开关“G”和电源开关“B”：旋转90°可锁住，测量过程中调平衡时按下按钮“B”然后轻按检流计按钮“G”；在测量具有电感的元件（如线圈）完毕时，需先松开检流计按钮，后松开电源按钮。图1-25直流单臂电桥外形图3.直流单臂电桥测量过程1)将被测电阻接入“Rx”接线柱两端。估计被测电阻值，选择比例臂的适当数值。检查无误后，先按下电源开关“B”,再按下检流计按钮开关“G”,（按钮开关“B”“G”旋转90°可锁住），调节比较臂的四支旋钮，使检流计指针指“零”。此时电桥平衡，被测电阻值等于：比例臂读数乘比较臂读数（欧姆）。2)如无法估计被测电阻值，一般将比例臂放在1档，比较臂放在1000欧上，按下“B”按钮，然后轻按“G”按钮后即松开，如检流计指针晃向“＋”的一边，说明被测电阻大于1000欧，可把比例臂放在10档，再次接下“B”、“G”按钮，如果指针仍在“＋”边，可把比例臂放在100档。如果开始时指针晃向“－”边，则说明被测电阻小于1000欧，可把比例臂放在0.1档或0.01档上。如此，可得Rx的大约数值然后选定倍率，调节四个比较臂读数盘，使检流计平衡。4.直流单臂电桥使用注意事项:1)使用前先把检流计锁扣或短路开关打开，并调节调零器使指针或光点置于零位。2)Rx接好后，先估计一下被测量的电阻阻值范围，选择合适的R2/R3比率，以保证比较臂R4的四档电阻都能充分使用。例如：Rx为几个欧姆时，应选比率为0.001。3)电源和检流计按钮的使用：测量时先按“电源”按钮，再按“检流计”按钮。选定倍率后,若检流计指针向“＋”偏转，说明R4电阻小了，应增加比较臂R4数值。反之，指针若向“—”偏转，则应减小R4数值。测量完毕，先松开检流计按钮，后松开电源按钮。特别是在测量具有电感的元件（如线圈）一定要遵守上述操作顺序，否则将有很大的自感电动势作用于检流计，造成检流计损坏。4)在电桥调平衡过程中，不要把检流计按钮按死，应是每改变一次比较臂电阻，按一次按钮测量一次，直至检流计偏转较小时，再按死检流计按钮。5)测量结束不再使用时，应将检流计的锁扣锁上。问题:为什么直流单臂电桥这种桥式结构可以测量Rx阻值呢，它的工作原理是怎样的？这就需要我们讨论一下电阻的串并联问题。四.理论知识1.电阻的串并联1)电阻串联电路设电压、电流参考方向关联，则A.电流：各电阻顺序连接，各电阻中流过的电流相同；B.电压：电路的总电压等于各串联电阻的电压之和，即：C.等效电阻：电阻串联，其等效电阻等于各分电阻之和；等效电阻大于任意一个串联的分电阻。即:D.分压：若已知串联电阻两端的总电压，求各分电阻上的电压称分压。电阻串联，各分电阻上的电压与电阻值成正比，电阻值大者分得的电压大。因此串联电阻电路可作分压电路。E.功率：电阻串连时，各电阻消耗的功率与电阻大小成正比，即电阻值大者消耗的功率大；等效电阻消耗的功率等于各串连电阻消耗功率的总和。2）电阻的并联设电压、电流参考方向关联，则A.电压:各电阻并联连接，各电阻中两端的电压相同；B.电流:电路的总电流等于各并联电阻的电流之和；(G=1/R为电导)C.等效电阻:D.分流:若已知并联电阻电路的总电流，求各分电阻上的电流称分流。E.功率:电阻并联时，各电阻消耗的功率与电阻大小成反比，即电阻值大者消耗的功率小；等效电阻消耗的功率等于各并连电阻消耗功率的总和。电路中有电阻的串联，又有电阻的并联的电路称电阻的串并联电路。电阻相串联的部分具有电阻串联电路的特点，电阻相并联的部分具有电阻并联电路的特点。3)电阻的混联:例1求图1-31所示电路的I1,I4,U4解：①用分流方法:②用分压方法:从上题可得求解串、并联电路的一般步骤：A.求出等效电阻或等效电导；B.应用欧姆定律求出总电压或总电流；C.应用欧姆定律或分压、分流公式求各电阻上的电流和电压。判别电路的串并联关系一般应掌握下述四点：A.看电路的结构特点。若两电阻是首尾相联就是串联，是首首尾尾相联就是并联。B.看电压电流关系。若流经两电阻的电流是同一个电流，那就是串联；若两电组上承受的是同一个电压，那就是并联。C.对电路作变形等效。如左边的支路可以扭到右边，上面的支路可以翻到下面，弯曲的支路可以拉直等；对电路中的短线路可以任意压缩与伸长；对多点接地可以用短路线相连。D.找出等电位点。对于具有对称特点的电路，若能判断某两点是等电位点，则根据电路等效的概念，一是可以用短接线把等电位点联起来；二是把联接等电位点的支路断开（因支路中无电流），从而得到电阻的串并联关系。4)判别电路的串并联关系练习题:求下列各电路中的等效电阻RAB.直流单臂电桥的原理分析1．原理分析:图1-32是QJ24型直流单臂电桥原理图。其中R2、R3、R4为标准电阻元件。R4为比较臂，R2、R3为比率臂(R2/R3)单臂意即单比率臂。Rx为被测电阻，是为测量臂。直流单臂电桥用于测量阻值（1Ω～0.1MΩ）直流电阻。当电桥平衡时有：2.数值计算：如图1-33，已知E=4.5V,R1=4Ω,R2=10Ω,R3=5Ω,当直流单臂电桥检流计指示值为零的时候，计算各电阻中电流的大小？解：当检流计指示值为零时，即意味着b、c两点同电位，R1与RX串联，R2与R3串联，然后两者再并联。电桥平衡时，RX=2Ω总电流I=E/R总=E/[(R1+RX)//(R2+R3)]=1.05AI1=（R2+R3）I/(R1+R2+R3+R4)=0.75AI2=I-I1=0.3AII1I2五、拓展知识直流双臂电桥直流单臂电桥只能测量1欧以上的电阻,而直流双臂电桥，用于测量低值（1欧以下）直流电阻。如果低值电阻仍使用单臂电桥测量，则因Rx很小，而R2、R3、R4也必然很小，四个臂相联接的接点处的接触电阻值和接线电阻值都不容忽略，会使测量结果造成极大的误差。而双臂电桥则解决了这些问题。