FMQ

板式單/雙臂電橋

使用說明書

一、概述

FMQ型板式單/雙臂電橋可以接成惠斯通單臂電橋，也可以接成開爾文雙臂電橋。作為一款“解剝式”教學(xué)儀器，FMQ的結(jié)構(gòu)創(chuàng)意新穎，物理模型直觀，原理明確便于分析討論。使用本儀器不但容易講清基本原理，便于學(xué)生思路清晰地完成操作，也適合編排討論型、設(shè)計型、綜合型實驗，蘊含著豐富的素質(zhì)教育素材。

二、結(jié)構(gòu)

如圖1，P11P12、P21P22是兩條相同的電阻絲，長度L=1.0000m平行張緊在玻璃標(biāo)尺上，晶瑩剔透，賞心悅目。標(biāo)尺刻度0~1.00是歸一化無量鋼的，記錄讀書應(yīng)寫足數(shù)字（到萬分位）。沿標(biāo)尺滑動的滑塊上有兩只銅片按鍵N1和N2，當(dāng)按下時，接觸點把電阻內(nèi)分為比例線段，儀器結(jié)構(gòu)P11N1P12和P21N2P23之間緣的P11、P12、P21、P22、N1、N2又都是接線柱，可與外電路連接。此外還有接線柱C11、M、C12由粗導(dǎo)線連通，接線柱C21、C22各自。

三、使用方法

1、 惠斯通單臂電橋

惠斯通單臂電橋可以測量中等量值的電阻，即數(shù)歐到數(shù)百千歐的電阻。

本題簽作為單臂電橋時，電阻絲P21P22是空開不用的，當(dāng)然按鍵N2也不起作用。設(shè)電阻絲的電阻率為P，截面積為A，當(dāng)按鍵N1與電阻絲P11P12接觸時，N1內(nèi)分P11P12為R11和R12，組成比例臂，R11=PL/A，R12=PL12/A。在接線柱P12C12之間接入電阻箱Rs單作為比較臂，在接線柱P11C11之間接入被測電阻Rx單。對角線P11-E-RnP12是電源橋路，G是檢流計，AN是驗按鈕開關(guān)。開始先將Rn調(diào)到，電路靈敏度S，保護檢流計G不過限偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)RS單、N1位置使G指：將Rn減小直至G有了顯著偏轉(zhuǎn)，再微調(diào)Rs單、N1使G指：如此循環(huán)調(diào)節(jié)直至Rn-0,S-Sman,G-0,電橋精細(xì)平衡。在調(diào)節(jié)G-0時可以按動驗按鈕AN，如果G的指針隨之?dāng)[動，說明IG尚未到，以此方法來核實平衡點。一般指針式檢流計的另，靈敏度為0.1格，當(dāng)微偏d時，就認(rèn)為電路已經(jīng)平衡。由于指儀的靜態(tài)胃偏與其真實點不可能同時被觀察，所以觀察者需將當(dāng)前微偏的視覺形象與記憶中的真實點相比，這是不準(zhǔn)確的。本實驗以節(jié)奏按動驗按鈕AN，實際是將靜態(tài)微偏調(diào)制成一種微振幅交變信號，使之醒目可辨，顯著了檢流計固有的靈敏度。電路平衡時記錄L11讀數(shù)和RS單讀數(shù)就能求出被測電阻RX單。在可能的情況下，去L11值接近0.5，這樣可使測量結(jié)果具有小不的確定度，叫做“測量條件”。交換RX單、RS單的位置，重復(fù)上述步驟再求結(jié)果，兩次結(jié)果去平均可以減小儀器系統(tǒng)誤差，例如電阻絲不均勻、各接觸電阻不一致、各段導(dǎo)線不一致等，類似天平物、碼交換稱衡的作的技巧。在電橋平衡時，人為將RS單調(diào)節(jié)離平衡點一個小阻值，可以求出電橋的靈敏度，即任一橋臂阻值相對變化引起G偏轉(zhuǎn)的各數(shù)。

2、 開爾文雙臂電橋

開爾文雙臂電橋可以測量低電阻

低電阻一般指1歐以下的電阻，其工作電流往往都很大。精密低電阻器件一般都做成四端鈕結(jié)構(gòu)，如標(biāo)準(zhǔn)電阻器、儀表分流器、欲測電阻率的材料樣條等。矩形框表示電阻材料本體：C1、C2稱為電流端，其作用是引導(dǎo)大電流I通過電阻本體：P1P2稱為電位端，其作用是將I在電阻本體上產(chǎn)生的壓降取出來，送往有關(guān)電路。四端電阻和兩端電阻一樣，不論其使用過程還是測量過程，都是定量體現(xiàn)歐姆定律的過程。電位端與電阻本體連接的位置A、B有意識地躲開電流端而略靠里一些，這樣做可以限度地減小接觸電阻、引線電阻的影響，準(zhǔn)確體現(xiàn)歐姆定律，因此該四端電阻器的部分是A、B兩點之間的電阻本體，器件的標(biāo)稱電阻值正是其部分的電阻Reff,設(shè)電流I在A、B間的壓降為Uab，側(cè)Reff=Uab/I

FMQ型儀器接成雙臂電橋的電路，兩根電阻絲和兩個按鍵都投入使用。在C11-P11-P21-P22-C22間接入標(biāo)準(zhǔn)電阻RS雙，在按鍵N1-N2間接入檢流計G和驗按AN，在C21-C22間通過換向開關(guān)K接入電源E、衰減電阻Rn和電流表A。按鍵N1、N2將電阻絲P11P12、P21P22內(nèi)分成兩組比例臂R11/R12和R21/R22。由于N1、N2同步聯(lián)動，不論滑動到什么位置。仔細(xì)調(diào)節(jié)滑塊在標(biāo)尺上的位置，不斷按下按鍵N1N2，觀察G是否指，并用AN驗。剛開始RN應(yīng)大些，電源電壓應(yīng)低些，A表騙轉(zhuǎn)應(yīng)小些。調(diào)平中逐漸電流靈敏度。當(dāng)電路平衡時，將開關(guān)K切換到另一側(cè)，各橋臂上的電流換向，重復(fù)上述操作，兩次結(jié)果求平均。電源換向可以減小電流熱效應(yīng)造成的測量誤差。雙橋靈敏度的測量可以照上文單橋的有關(guān)介紹。

四、雙橋原理

以上弄清了雙臂電橋的構(gòu)造和使用方法，下面討論如何直觀理解電路原理。圖5是圖4的簡化等效電路，顯眼之處是RX雙和RS雙的部分與兩條電阻絲圍成了一個閉環(huán)，電位端附加電阻rp21,rp22,rp11,rp12遠(yuǎn)小于電阻絲的電阻,可以忽略不計:RX雙和RS雙的上端附加電阻re21,re12已歸入電源干路,影響電橋平衡:RX雙和RS雙的下端附加電阻re11,re22合并在稱為跨線電阻,約為幾毫歐到幾十毫歐,其上電壓是Ue11,+Ue12..以下分3種情況:

(1)   假定RX和RS遠(yuǎn)大于跨線電阻,此時只用一組比例臂R21-N2-R22,G接在N2-M之間即可,電路又回到惠斯通單臂電橋.

(2)   假定RX和RS較小,跨線電阻和它們可比擬,不能忽略，仍按上款（1）的接法，調(diào)節(jié)N2使G指后。由于UC11/UC12無法確定，該式不能解出UX

(3)   由上文可知問題的癥結(jié)是UC11/UC12即無法確定，又被M點限。現(xiàn)在啟用第二組比例臂R11-N1-R12，G由N2-M間改接到N2-N1之間。由于高阻支路R11-N1-R12是與低阻支路并聯(lián)的，可變內(nèi)分點N1取代固定內(nèi)分點M，不可變不可知的比值UC11/UC12轉(zhuǎn)移成可變可知的比值U11/U12，問題就解決

關(guān)于雙臂電橋原理，更普遍的闡述方式是引用三角/星形等效代換，請用戶參閱有關(guān)書籍。商品電橋的電路與本文大同小異，也常把滑線改為電阻箱，望讀者對照理解，觸類旁通

五、注意事項

1、 為避免磨損電阻絲，按下按鍵嚴(yán)禁移動滑塊。

2、 按鍵左、右端都有刀口，是為了避免標(biāo)尺某一端存在區(qū)，不得將左、右刀口同時按下。

3、 各橋臂上1的電流不宜過大，雙橋尤其注意

六、成套性

FMQ型板式單/雙臂電橋需要和下列儀器配套使用（另行購買）

1、E             YJ24-1型直流穩(wěn)壓電源

2、Rn             BX8型滑動變阻器

3、G             AC5型直流檢流計

4、AN             LAY7型按鈕開關(guān)

5、Rx單           FM-QR1型按被測（二端）電阻箱

6、Rs單           ZX21型直流電阻箱

7、A             C31-A或C65-A型直流安培表

8、K            雙刀雙擲開關(guān)

9、Rx雙           FM-QR2型被測電阻箱

                   FM-QR4型四端電阻測量夾

10、Rs雙           FZ-01型教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)電阻箱