惠斯通电桥灵敏度的研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:16874字

目 录

1.绪论 5

1.1 论文研究的目的 5

1.2 论文研究的意义 6

2.惠斯通电桥实验 6

2.1 惠斯通电桥背景 6

2.2 原理及实验电路 7

2.3 惠斯通电桥平衡 7

2.4 电桥分类 8

2.5 惠斯通电桥的优势 8

2.6 电桥灵敏度 9

3.电桥灵敏度实验研究 10

3.1 物理意义 10

3.2 实验分析 11

3.2.1 不同比率臂倍率对灵敏度的影响 11

3.2.2 研究电源电阻对灵敏度间的关系 13

3.2.3 电源电压对电桥灵敏度的影响 15

3.2.4 检流计内阻对电桥灵敏度的影响 16

4.结论 17

4.1 得出的结论 17

4.2 提高惠斯通电桥灵敏度的方法 18

5.讨论 19

6.参考文献 19

致谢 22

惠斯通电桥灵敏度的研究

布海丽齐

,China

Abstract: The Wheatstone bridge is one of the most sensitive and accurate of many electrical instruments. And the instrument it needs and its circuit structure are very simple compared with other ways. This fully reflects the deep wisdom of the founders. With the gradual improvement of the precision requirement of electronic weighing instruments in the trade settlement work of enterprises, "further improving the accuracy of weighing instruments" has become a significant and realistic problem to measure the measuring reputation and economic benefits of enterprises. Improving the sensing accuracy of electronic weighing device is the way to solve this problem. With the development of science and technology, the sensitivity of Wheatstone bridge must be higher. The sensitivity of the bridge has a great influence on the results. This paper probes into the experiment of Wheatstone bridge in a wide range, and discusses the factors that affect the sensitivity of the bridge and the methods to improve the sensitivity of the bridge to achieve the best effect.

Key words: Stone bridge; balance state; sensitivity

绪论

1.1 论文研究的目的

物理在如今的生活中地位越来越高,人民走向技术性的生活,科学技术成了现代代表性特色。其中惠斯通电桥起着必不可少的作用。目前惠斯通电桥不仅用于测量电阻,而且用于测量电容、电感、温度、杨氏模量、频率及压力,广泛应用在现代科学当中。惠斯通电桥最显明的特点是它的准确度和灵敏度都比较高,是一种比较式电路。进而应用价值也很高。在测量压力时可以采用电桥法减少压力传感器的输出温度漂移。比较便于这样探讨温度对传感器灵敏度的影响。除此之外我们可以通过实验来证明大热点零点漂移的问题还可以用并联自平衡电桥的问题。[1]比较常见的惠斯通电桥广泛应用在电气测量等领域中,由于它测量精度高,经常用于制造电桥、电位差计等各种标准计量仪器。[1]

在一种微制造热导率检测器的设计智能光,用于分析微气相色谱柱流出物,补充微化学实验室TM系统中声表面波探测器的探测效能,惠斯通电桥电路也起着决定性作用,为了最大限度地提高检测灵敏度,设计一种四丝惠斯通电桥电路。该店路将电阻悬挂在锥形或梯形流动单元中的薄氮化规模上。[2]在生活中,基于交流电导率测量的低成本牛奶品质评估电路中,就使用惠斯通电桥,以尽量减少寄生效应。牛奶的温度也得到了测量和补偿,该系统可以帮助农民快速、经济地检测奶牛的健康情况。[3]在医学中,为为各种神经异常的诊断和治疗中利用声电效应,即电流与通过导电材料传播的声压波之间的相互作用,利用超声电流源密度成像和两个互补的惠斯通电桥电路同时检测组织模型中的两种不同的电流。两个互补桥电路,其中每个分支的最佳检测位置在中点。如果两个组织板在一个超声场中的轴向距离大于一个声脉冲长度,则仅使用第一桥接电路即可检测和隔离每个组织板中的声发射信号。当轴向差小于一个脉冲长度时,两个组织块中检测到的声发射信号部分重叠,不可能用一个桥式电路分离它们。然而,两个互补的桥电路可以有效地将每个源的声发射信号从混合电路中分离出来。[4]

在研究以锆钛酸铅薄膜代替薄膜作为致动器的集成惠斯通桥电路自感自激悬臂梁的特性中,采用惠斯通桥式悬臂梁电路,可以减小压电陶瓷悬臂梁的漏电流(小于10−4A/cm2),并通过降低传感器外部电路的噪声水平来提高传感器的灵敏度。将集成惠斯通电桥电路的自感驱动悬臂梁与商用自感知悬臂梁或无集成惠斯通电桥电路的自感驱动悬臂梁进行了比较。这种悬臂梁允许更容易的系统集成和小型化,提供更好的可控性和更高的扫描速度,并提供了完全自动化的潜力。[5]

杨氏模量是表征固体材料性能的重要的物理量,也是材料的一个基本力学参数,在测量杨氏模量时采用具有更高的的精确度,和更接近理论值的惠斯通电桥法。[6]它只取决于材料本身的物理性质,它的尺寸大小表示固体材料的刚度。其实有很多种方法可以测定样式模量。其中相对比较简单的是静态拉伸法。而惠斯通电桥法是一种新的实验方法,它是把力学和电学知识结合起来的、更是通过创新思维而发展起来的。钢丝在电桥中充当电阻的作用,继而用电阻改变量来表示把钢丝长度的变化,惠斯通电桥实验探索性表现在对知识的综合运用。钢丝的长度发生改变,使钢丝导线的电阻Rx会发生变化。用惠斯通电桥法测量钢丝杨氏模量E的公式为。惠斯通电桥法实验因为它不需要进行较为麻烦的光杠杆调节,使得它可以更加方便快捷、间接地测量出钢丝杨氏弹性模量。[6]

金属丝导线电阻值与电压之间的关系实验研究,是通过探讨对如何利用金属丝受力导致电阻值的变化。因此对电桥工作在最大灵敏度的工作状态提出了更高的要求,以及电路设计的关键问题在各领域理论研究和各种技术应用。提高惠斯通电桥灵敏度在充分发挥性能指标中是必不可少的。科学技术不断进步,电桥灵敏度的提高是必不可少的。

1.2 论文研究的意义

一般电桥都使用了灵敏度十分准确的检流计达到了高精度的电阻测量。然而由于惠斯通电桥受组成结构影响,在测量中不可避免地存在着测量误差,因此对影响惠斯通电桥灵敏度因素进行研究并且找出提高惠斯通电桥灵敏度的方法有着非常重要的意义。本篇主要分成三个章节,内容重在介绍实验原理与本篇中心概念,从电源电压、电源电阻、检流计内阻和桥臂电阻比率臂倍率等方面分别进行实验,开展研究影响电桥灵敏度的因素进而分析探讨出提高惠斯通电桥灵敏度的方法。

惠斯通电桥实验

2.1 惠斯通电桥背景

电桥作为一种基本的测量工具,被比较广泛地应用,其测量的精确度主要取决于指零仪器的精度。惠斯通电桥作为一种重要的测量基本仪器是怎样发明的呢?

惠斯通(1802~1875),英国物理学家。他从小受到严格的正规训练,兴趣广泛,动手能力很强。他一生有很多成就,有被聘为伦敦英王学院的实验物理学教授,他的研究涉及范围广,研究过一些声学方面的内容,但是他的大部分研究工作是在电学和光学方面。他的许多成果是通过法拉第提交的。1843年,在皇家做的一次演讲中,惠斯通介绍了新类型的电路,即电桥。该演讲关于对一些新仪器的解释和介绍以确定伏打电路常数。电桥主要是由四个桥臂电阻、电源和检流计(电流检测器)组成。他在电学、光学和乐音在刚性直线上传输等方面有很多成就。他对欧姆定律非常了解是第一个使用惠斯通电桥精确测量电阻的人。[7]但是惠斯通电桥不是他发明的。

电桥的发明归功于克里斯蒂先生。克里斯蒂(1784~1865)生于伦敦,1805年在剑桥的三一学院以优异成绩获得学士学位0,他生活中将大部分的实践运用在电磁学的研究上。他在自己的论文“磁电感应定律的实验确定”中说明了“导体的导电本领与导线的直径平方成正比,与其长度成反比.”还说明了伏打效应电、磁电、温差电都遵循相同的规律,也表示了使惠斯通受到启发的实验电路。[7]

但是在克里斯蒂和惠斯通的电路中在性质上有一个重要区别,并没有完全相同。惠斯通用直流电来找出了稳态电流下的平衡,而克里斯蒂用的不是直流电而是脉冲电流来寻找平衡。克里斯蒂不同金属丝的线圈中比较电磁感应感应出的电动势来设计电路。他了解到,当一个大小完全相同的线圈是由一根导线和一根铜线组成的,并且用同一个磁铁以相同的速度接近或远离这两个线圈时,导线上的电流是不一样的。他想研究出导致不同电流的原因。为了找出自己这一问题的答案,他把这样两个线圈连接到检流计,同时这两个线圈另外起始端相连接。用同一磁铁靠近或远离两线圈在同一方向上产生的电动势,他发现这个时候并没有电流流过检流计,这证明两个线圈中感应出的电动势相等。显然,两者都有共同点是都让检流计指零。但用今天的观点来说,克里斯蒂的电路相当于电位差计的补偿发,用于测量和比较电阻的,他称该电路为“示差电阻测量器”。[7]惠斯通主要因为参加了各种电报技术有关的活动,对其了解深刻在对这种测量方法进行了改进。,他明确地了解欧姆定律的内容,并明锐的意识到在实践中迫切需要电阻测量。后来在各实验所广泛应用,科学家以及学子们在后来习惯于称这种电桥称为惠斯通电桥。[7]

2.2 原理及实验电路

如图1所示,惠斯通电桥是单臂电桥,有四个桥臂分别是标准电阻和待测电阻组成。在对角AC之间接电源E,对角BD之间接检流计G用以检查支路中有没有电流通过。对电阻进行适当地调节阻止,直到检流计中没有电流通过,即BD两点电位相等。电桥恰巧就达到了平衡状态,根据电路图(图1)得出此时(1),

(2)

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