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直流电桥

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1、科学素养

背景知识

  直流电桥是电学中一种常用的测量电路,可以实现电阻的精确测量。直流电桥可分为平衡电桥和非平衡电桥。
  平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进行比较,通过调节电桥平衡,从而测得待测电阻值,如直流单臂电桥、直流双臂电桥。
  直流单臂电桥,是由英国发明家塞缪尔·亨特·克里斯蒂(Samuel Hunter Christie)在1833年发明的;但是,由于1843年查尔斯·惠斯通(Charles Wheatstone)改进及推广并第一个用它来测量电阻,所以人们习惯上就把这种电桥称作为惠斯通电桥。
  1862年,英国的威廉·汤姆孙(William Thomson)在研究利用直流单臂电桥测量低电阻遇到困难时,发现引起测量产生较大误差的原因是引线电阻和连接点处的接触电阻。这些电阻值可能远大于被测电阻值。因此,他提出了直流双臂电桥,当时被称为汤姆孙电桥;后因他晋封为开尔文勋爵,故改称开尔文电桥。
  虽然直流电桥结构简单,但其准确度和灵敏度都比较高,其在科学研究、测量仪器、自动控制等领域有着广泛的应用。直流电桥还可用于测量引起电阻变化的其它物理量,如温度、压力、形变等,在检测技术、传感器技术中的应用非常广泛。平衡电桥用于测量具有相对稳定状态的物理量,而在实际工程和科学实验中,很多物理量是连续变化的,采用非平衡电桥才能测量。
  非平衡电桥是通过测量电桥输出量(电压、电流、功率等)并进行运算处理,得到待测电阻值;其一般用于测量电阻值的微小变化,例如将物体与电阻应变片结合,依据物体、应变片相应发生形变的关系,分析、计算、测量出物体的形变量,进而测量应变、拉力、扭矩、振动频率等物理量。

课程思政

  实验表明:科学进步,是通过不断地发现问题、分析问题、解决问题来推动的;是一代又一代人的努力拼搏积累而发展的。每一个成功者,都是站在另一个或一批巨人的肩膀上。通过观察分析实验现象、全过程动手实践,培养学生实事求是、严肃认真的科学态度,提高学生的基本实验技能、综合能力,深入理解“实践是检验真理的唯一标准”;穿插案例、弘扬工匠精神,培养学生辩证唯物主义世界观和科学思维方法、提升学生社会主义核心价值观。

与现代科学技术的结合

  电桥电路在电磁测量技术中,有着极其广泛的应用。被应用于现代工业自动控制、电气技术、非电量转化为电学量的测量中。电桥的种类有许多,从供电电源来考虑可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥用于测量电阻,交流电桥用于测量电容、电感。还可通过传感器将压力、温度等非电学量转化为传感器阻抗的变化进行测量。

2、分层次实验教学内容

a)基础内容

  自组电桥,选择合适的倍率、测量不同未知(中值)电阻的阻值,测出电桥的灵敏度。采用交换(换臂)法,消除倍率的误差。

b)提升内容

  考虑电桥比率臂阻值、检流计灵敏度对整个电桥灵敏度及测量精度的影响,计算未知电阻的不确定度,写出结果表达式。

  教师适时巧设电路小故障,让学生自己排查和解决、恢复测量。

c)进阶内容

  搭建双臂直流电桥,依据双臂电桥原理及测量方法,测量金属棒的阻值;测量其长度、直径,计算金属棒的电阻率。

d)高阶内容

  结合工程技术,研究直流电桥的应用,如:将单臂直流电桥改装为非平衡电桥,研究非平衡电桥的线性条件。将电桥四个臂换成电阻应变片,构成测力电桥,进行力的大小测量。

  结合现代科学技术,利用传感器、数据采集、虚拟技术等,将电桥电压采集到计算机中,在软件方面设计应用。

3、能力培养

  利用直流电桥测量电阻大小;分析实验误差来源、选择适当的方法消除实验误差;实验测量方案设计;正确连接实验电路;能独立排除简单电路故障。培养学生的建模能力、综合分析能力、动手能力。

4、知识点

  直流电桥测电阻,交换(换臂)法,倍率选取、电桥灵敏度测量,电阻率测量。

5、学科关联

 电子(测量、仪器仪表、自动化)、计算机。

6. 延伸实验

  交流电桥测量电感、电容等元件的相关参数;直流电桥测量非线性元件伏安特性曲线。

讨论区

感谢徐朋老师的努力! — 乐永康 2020/01/30 16:28