針對板式惠斯頓電橋的改進(jìn)研究

呂群松 LV Qun-song；梁士坤 LIANG Shi-kun；葉淑群 YE Shu-qun；吳興達(dá) WU Xing-da

（廣東醫(yī)學(xué)院，東莞 523808）

（Guangdong Medical College，Dongguan 523808，China）

針對板式惠斯頓電橋的改進(jìn)研究

呂群松 LV Qun-song；梁士坤 LIANG Shi-kun；葉淑群 YE Shu-qun；吳興達(dá) WU Xing-da

（廣東醫(yī)學(xué)院，東莞 523808）

（Guangdong Medical College，Dongguan 523808，China）

板式惠斯頓電橋因?yàn)槟芎唵味种庇^地反映電橋線路的特點(diǎn)，便于觀察并且適合手工操作而被大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)廣泛使用。文章分析了板式惠斯頓電橋在學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用中兩個(gè)嚴(yán)重故障的產(chǎn)生原因，采取幾種不同的方式對電橋進(jìn)行改進(jìn)，并通過實(shí)際使用來驗(yàn)證改進(jìn)的效果。板式惠斯頓電橋的改進(jìn)研究有利于節(jié)約成本和減輕實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員的工作量。

惠斯頓電橋；故障；改進(jìn)

0 引言

惠斯頓電橋又稱“單臂電橋”，是一種測量電阻的精密儀器。使用惠斯頓電橋測量中值電阻（10～106Ω）是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中電學(xué)部分一個(gè)重要而典型的實(shí)驗(yàn)，與中學(xué)所學(xué)的“伏安法”測電阻相比，準(zhǔn)確度更高。[1-3]

惠斯頓電橋有板式電橋和箱式電橋兩種。箱式電橋便于攜帶，但是它的線路是在箱子的內(nèi)部，并且集成度高，不便觀察。而板式電橋又叫學(xué)生型電橋，它能簡單而又直觀地反映電橋線路的特點(diǎn)，便于觀察并且適合手工操作。[4]

1 存在的故障

本校給本科生開出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是“用電橋測熱敏電阻的溫度特性”。學(xué)生實(shí)驗(yàn)中使用了板式（滑線型）惠斯頓電橋。板式惠斯頓電橋及測量電路如圖1所示。其中斜線陰影部分為金屬板，R是一只旋轉(zhuǎn)式電阻箱，r1、r2用一根粗細(xì)均勻的電阻線代替，電阻線張緊在A、C兩接線柱之間，其下置以米尺。滑動(dòng)探頭D（如圖2，其中滑塊可以沿著米尺滑動(dòng)，接線柱連接兩端均可按下的金屬探頭，使用時(shí)按下其中一端即可）按下時(shí)便將電阻線AC分為r1、r2兩個(gè)部分，其位置可由米尺讀出。

圖1 板式惠斯頓電橋及測量電路

圖2 滑動(dòng)探頭

為了減小測量的系統(tǒng)誤差，實(shí)驗(yàn)要求測量熱敏電阻常溫下的阻值時(shí)取電阻線長度比Lx/LR=1，即滑動(dòng)探頭D要求按在米尺的中點(diǎn)50.00cm處。同時(shí)，為了便于測量熱敏電阻的RT-T關(guān)系曲線，需要找出AC電阻線的等分電阻點(diǎn)D0（D0往往會(huì)略為偏離AC中點(diǎn)，但卻將AC分為電阻相等的兩部分）。也就是說，后面測量不同溫度下熱敏電阻的阻值時(shí)，滑動(dòng)探頭D要求按在AC電阻線的等分電阻點(diǎn)D0處。[5-8]

因此，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中常常會(huì)把滑塊的金屬片探頭D長時(shí)間用力按在米尺的中點(diǎn)處和AC電阻線的等分電阻點(diǎn)處。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中，探頭按下又松開時(shí)，滑塊會(huì)移動(dòng)，探頭再按下時(shí)的位置會(huì)改變。經(jīng)過一次兩次的位置核對后，學(xué)生沒有耐心、怕麻煩了，就干脆一直用力壓著探頭，直到完成測量項(xiàng)目。

這樣就會(huì)使板式惠斯頓電橋出現(xiàn)以下兩個(gè)嚴(yán)重的故障：①木質(zhì)米尺的中點(diǎn)處出現(xiàn)一條較深的凹陷的刻痕，它的附近也有不同程度的凹陷刻痕；②電阻線AC的中點(diǎn)處出現(xiàn)“V”型的折痕，它的附近也有不同程度的曲折。

這樣一來，基本上每一次實(shí)驗(yàn)過后，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的技術(shù)員都要把每一支板式惠斯頓電橋的電阻線張緊、拉直。而電阻線被拉的次數(shù)多了，就很容易斷，斷了就需要換上新的電阻線。這就增加了實(shí)驗(yàn)的材料消耗費(fèi)用，也增加了技術(shù)員的工作量。假如不及時(shí)張緊拉直電阻線，由于“V”型折痕的存在，會(huì)使下一組學(xué)生實(shí)驗(yàn)測量的誤差增大，甚至于很難調(diào)節(jié)使電橋平衡。

2 針對板式惠斯頓電橋的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)滑塊，使滑塊在探頭按下又松開時(shí)位置不變

①簡單的做法是：在滑塊側(cè)面打螺紋孔，用螺桿旋緊，把滑塊固定在米尺上。缺點(diǎn)是由于米尺也就只有5mm厚，使用的螺桿最粗的直徑也只能是5mm，那么電橋用多了，米尺的側(cè)面將會(huì)凹陷變形，米尺也就壞了。

②在①的基礎(chǔ)上，在米尺的側(cè)面，滑塊螺桿要固定時(shí)接觸的位置（48cm～52cm處），嵌入一塊厚1mm的金屬片。優(yōu)點(diǎn)是米尺側(cè)面就不會(huì)凹陷變形。缺點(diǎn)是螺桿用力過度的話，滑塊會(huì)斷裂損壞。

③另一個(gè)可考慮的做法是：做一個(gè)可微調(diào)0～2cm范圍的金屬探頭代替滑動(dòng)探頭D，固定在米尺中點(diǎn)附近位置，可以用夾緊或打孔的方法固定在電橋基板上，使探頭可以接觸電阻線中點(diǎn)部分左右1cm位置。缺點(diǎn)是加工成本較高，現(xiàn)成可用的微調(diào)器件價(jià)格很貴。

2.2 改進(jìn)探頭，使探頭接觸電阻線時(shí)不會(huì)讓電阻線曲折，不會(huì)在米尺上留下壓痕

①簡單的做法是：選用示波器的探頭（有魚須鉤的那種），直接鉤在電阻線上。缺點(diǎn)是那種探頭過長，實(shí)驗(yàn)使用中容易被碰上而改變與電阻線的接觸位置。

②在①的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，做一個(gè)短點(diǎn)的探頭。缺點(diǎn)是手工改造很麻煩，材料難找，工藝不好。

2.3 改進(jìn)米尺，使探頭壓下時(shí)不會(huì)在壓的位置留下刻痕 一般來說，銅質(zhì)的金屬探頭硬度比電阻線硬度小，假如底下的米尺硬度夠大，在探頭多次壓磕下，就不會(huì)形成壓痕，電阻線也不會(huì)產(chǎn)生“V”型折痕。通過對比選擇，有以下兩個(gè)簡單有效的方法：

①對新的板式惠斯頓電橋，米尺刻度面很平整，可以取厚0.2mm的蓋玻片（大小約2cm×2cm），用透明膠帶固定在米尺的中點(diǎn)位置。優(yōu)點(diǎn)是操作特別簡單，成本幾乎可以不計(jì)，同時(shí)電阻線被壓在蓋玻片上不容易形成“V”型折痕，通過玻璃的鏡像探頭的位置更容易定位。缺點(diǎn)是壓力過大時(shí)，蓋玻片容易斷裂。

②對舊的板式惠斯頓電橋，米尺中點(diǎn)部分已經(jīng)有了不同程度的刻痕壓痕，可以取厚1mm的載玻片（大小約2cm×7cm），嵌在米尺中點(diǎn)部分。優(yōu)點(diǎn)是成本不高，不容易被壓爛。缺點(diǎn)是工作量有點(diǎn)大，沒有木工的工作經(jīng)驗(yàn)還做不好。不過可以請木工用專門的工具來做。經(jīng)驗(yàn)是鑿出大小深度合適的凹坑（底部要求很平整），直接用透明膠帶固定；或者鑿出深一點(diǎn)的凹坑，在底下打上玻璃膠再嵌上載玻片，保證載玻片平整，壓下時(shí)還有點(diǎn)彈性，使用效果更好。

3 結(jié)語

通過教學(xué)實(shí)踐，針對板式惠斯頓電橋的改進(jìn)研究成果取得了良好的教學(xué)使用效果。針對板式惠斯頓電橋的改進(jìn)研究還促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)員著力于改善實(shí)驗(yàn)室細(xì)節(jié)工作的管理與研究，讓技術(shù)員和帶課教師對實(shí)驗(yàn)室儀器的改進(jìn)研究精益求精，更注重解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的實(shí)際問題，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

[1]趙宗坤,馬華玲.基于“單臂電橋測電阻”的一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)——單臂電橋測檢流計(jì)內(nèi)阻[J].物理與工程,2009,19(6):40-41.

[2]韓向宇,殷鵬飛,夏川茴.電橋?qū)嶒?yàn)的改革嘗試[J].物理教師,2012,33(7):72-73.

[3]馬樹元.惠斯登電橋靈敏度研究[J].廣西物理，2007,28(1):42-46.

[4]侯玉娟.自組惠斯登電橋測熱敏電阻實(shí)驗(yàn)探討[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2013,16(3):40-42.

[5]馮永振.醫(yī)學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:科學(xué)出版社,2010:36-39.

[6]陳早生,任才貴.大學(xué)物理[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2003:97-100.

[7]趙德華,于華.惠斯登電橋線路改進(jìn)及測量數(shù)據(jù)的處理與結(jié)果的科學(xué)表示[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2002,15(2):64-65.

[8]任慧娟,姚展.惠斯登電橋的靈敏度及換臂測量的數(shù)據(jù)處理[J].咸陽師范學(xué)院學(xué)報(bào),2010,25(2):25-27.

Research on the Improvements of Plate Type Wheatstone Bridge

The plate type Wheatstone Bridge is widely used in college physical experiment,since it can simply and intuitively reflect the characters of bridge circuit,and in the meantime it is easy to process and observe.In this paper,the causes of two severe faults occurred in the Wheatstone Bridge experiments had been analyzed.To avoid these faults,several improved methods had been put forward.According to the actual effect,we found that all these improved methods were feasible.In addition,our methods are beneficial to cost saving and reducing the workload.

Wheatstone Bridge；fault；improvement

呂群松（1979-），男，廣東湛江人，廣東醫(yī)學(xué)院物理與電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)師，從事物理與電子實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)室管理的研究。

TN710

A

1006-4311（2014）10-0300-02

廣東醫(yī)學(xué)院面上項(xiàng)目“針對物理經(jīng)典驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)《用電橋測熱敏電阻的溫度特性》實(shí)驗(yàn)的儀器改進(jìn)研究（XK1125）”。