针对板式惠斯顿电桥的改进研究
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摘要： 板式惠斯顿电桥因为能简单而又直观地反映电桥线路的特点，便于观察并且适合手工操作而被大学物理实验广泛使用。文章分析了板式惠斯顿电桥在学生实验使用中两个严重故障的产生原因，采取几种不同的方式对电桥进行改进，并通过实际使用来验证改进的效果。板式惠斯顿电桥的改进研究有利于节约成本和减轻实验室技术员的工作量。
Abstract： 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.
关键词： 惠斯顿电桥；故障；改进
Key words： Wheatstone Bridge；fault；improvement
中图分类号：TN710 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）10-0300-02
0 引言
惠斯顿电桥又称“单臂电桥”，是一种测量电阻的精密仪器。使用惠斯顿电桥测量中值电阻（10～106Ω）是大学物理实验中电学部分一个重要而典型的实验，与中学所学的“伏安法”测电阻相比，准确度更高。[1-3]
惠斯顿电桥有板式电桥和箱式电桥两种。箱式电桥便于携带，但是它的线路是在箱子的内部，并且集成度高，不便观察。而板式电桥又叫学生型电桥，它能简单而又直观地反映电桥线路的特点，便于观察并且适合手工操作。[4]
1 存在的故障
本校给本科生开出的实验项目是“用电桥测热敏电阻的温度特性”。学生实验中使用了板式（滑线型）惠斯顿电桥。板式惠斯顿电桥及测量电路如图1所示。其中斜线阴影部分为金属板，R是一只旋转式电阻箱，r1、r2用一根粗细均匀的电阻线代替，电阻线张紧在A、C两接线柱之间，其下置以米尺。滑动探头D（如图2，其中滑块可以沿着米尺滑动，接线柱连接两端均可按下的金属探头，使用时按下其中一端即可）按下时便将电阻线AC分为r1、r2两个部分，其位置可由米尺读出。
为了减小测量的系统误差，实验要求测量热敏电阻常温下的阻值时取电阻线长度比Lx/LR=1，即滑动探头D要求按在米尺的中点50.00cm处。同时，为了便于测量热敏电阻的RT-T关系曲线，需要找出AC电阻线的等分电阻点D0（D0往往会略为偏离AC中点，但却将AC分为电阻相等的两部分）。也就是说，后面测量不同温度下热敏电阻的阻值时，滑动探头D要求按在AC电阻线的等分电阻点D0处。[5-8]
因此，学生实验中常常会把滑块的金属片探头D长时间用力按在米尺的中点处和AC电阻线的等分电阻点处。因为在实验过程中，探头按下又松开时，滑块会移动，探头再按下时的位置会改变。经过一次两次的位置核对后，学生没有耐心、怕麻烦了，就干脆一直用力压着探头，直到完成测量项目。
这样就会使板式惠斯顿电桥出现以下两个严重的故障：①木质米尺的中点处出现一条较深的凹陷的刻痕，它的附近也有不同程度的凹陷刻痕；②电阻线AC的中点处出现“V”型的折痕，它的附近也有不同程度的曲折。
这样一来，基本上每一次实验过后，准备实验的技术员都要把每一支板式惠斯顿电桥的电阻线张紧、拉直。而电阻线被拉的次数多了，就很容易断，断了就需要换上新的电阻线。这就增加了实验的材料消耗费用，也增加了技术员的工作量。假如不及时张紧拉直电阻线，由于“V”型折痕的存在，会使下一组学生实验测量的误差增大，甚至于很难调节使电桥平衡。
2.1 改进滑块，使滑块在探头按下又松开时位置不变
①简单的做法是：在滑块侧面打螺纹孔，用螺杆旋紧，把滑块固定在米尺上。缺点是由于米尺也就只有5mm厚，使用的螺杆最粗的直径也只能是5mm，那么电桥用多了，米尺的侧面将会凹陷变形，米尺也就坏了。
②在①的基础上，在米尺的侧面，滑块螺杆要固定时接触的位置（48cm～52cm处），嵌入一块厚1mm的金属片。优点是米尺侧面就不会凹陷变形。缺点是螺杆用力过度的话，滑块会断裂损坏。
③另一个可考虑的做法是：做一个可微调0～2cm范围的金属探头代替滑动探头D，固定在米尺中点附近位置，可以用夹紧或打孔的方法固定在电桥基板上，使探头可以接触电阻线中点部分左右1cm位置。缺点是加工成本较高，现成可用的微调器件价格很贵。
2.2 改进探头，使探头接触电阻线时不会让电阻线曲折，不会在米尺上留下压痕
①简单的做法是：选用示波器的探头（有鱼须钩的那种），直接钩在电阻线上。缺点是那种探头过长，实验使用中容易被碰上而改变与电阻线的接触位置。
②在①的基础上进行改进，做一个短点的探头。缺点是手工改造很麻烦，材料难找，工艺不好。
2.3 改进米尺，使探头压下时不会在压的位置留下刻痕 一般来说，铜质的金属探头硬度比电阻线硬度小，假如底下的米尺硬度够大，在探头多次压磕下，就不会形成压痕，电阻线也不会产生“V”型折痕。通过对比选择，有以下两个简单有效的方法：
①对新的板式惠斯顿电桥，米尺刻度面很平整，可以取厚0.2mm的盖玻片（大小约2cm×2cm），用透明胶带固定在米尺的中点位置。优点是操作特别简单，成本几乎可以不计，同时电阻线被压在盖玻片上不容易形成“V”型折痕，通过玻璃的镜像探头的位置更容易定位。缺点是压力过大时，盖玻片容易断裂。
②对旧的板式惠斯顿电桥，米尺中点部分已经有了不同程度的刻痕压痕，可以取厚1mm的载玻片（大小约2cm×7cm），嵌在米尺中点部分。优点是成本不高，不容易被压烂。缺点是工作量有点大，没有木工的工作经验还做不好。不过可以请木工用专门的工具来做。经验是凿出大小深度合适的凹坑（底部要求很平整），直接用透明胶带固定；或者凿出深一点的凹坑，在底下打上玻璃胶再嵌上载玻片，保证载玻片平整，压下时还有点弹性，使用效果更好。
3 结语
通过教学实践，针对板式惠斯顿电桥的改进研究成果取得了良好的教学使用效果。针对板式惠斯顿电桥的改进研究还促进了实验室的技术员着力于改善实验室细节工作的管理与研究，让技术员和带课教师对实验室仪器的改进研究精益求精，更注重解决学生实验时出现的实际问题，从而提高实验教学水平。
参考文献：
[1]赵宗坤，马华玲.基于“单臂电桥测电阻”的一个设计性实验——单臂电桥测检流计内阻[J].物理与工程，2009，19（6）：40-41.
[2]韩向宇，殷鹏飞，夏川茴.电桥实验的改革尝试[J].物理教师，2012，33（7）：72-73.
[3]马树元.惠斯登电桥灵敏度研究[J].广西物理，2007，28（1）：42-46.
[4]侯玉娟.自组惠斯登电桥测热敏电阻实验探讨[J].实验室科学，2013，16（3）：40-42.
[5]冯永振.医学物理学实验[M].北京：科学出版社，2010：36-39.
[6]陈早生，任才贵.大学物理[M].上海：华东理工大学出版社，2003：97-100.
[7]赵德华，于华.惠斯登电桥线路改进及测量数据的处理与结果的科学表示[J].大学物理实验，2002，15（2）：64-65.
[8]任慧娟，姚展.惠斯登电桥的灵敏度及换臂测量的数据处理[J].咸阳师范学院学报，2010，25（2）：25-27.