电桥实验的改革尝试

2012-07-19韩向宇殷鹏飞夏川茴

物理教师 2012年7期

韩向宇殷鹏飞夏川茴

（重庆交通大学理学院，重庆 400074）

在大学物理实验中所测量的电阻一般都是定值电阻，根据测量精度的不同可以有以下不同的方法：对于低值电阻（10Ω以下）需采用可消除接触电阻和引线电阻的测量方法——四端法进行测量（也可采用开尔文电桥法进行测量）；对于中值电阻（10－106Ω）常采用惠斯登电桥法，这是一个普物实验室普遍开设的电学基本实验；而对于高值电阻（＞107Ω），一般采用兆欧表和数字多用电表进行测量.然而随着测量技术的发展，有越来越多的敏感电阻做成的传感器件在生产和生活中有了广泛的应用，电桥的应用面不再局限于平衡电桥的范围，非平衡电桥在测量中已得到广泛应用.因此有必要改革和扩展电桥实验内容，指导学生学习和研究非平衡电桥及敏感电阻.［1］将各种电阻型传感器接入电桥回路，桥路的非平衡电压就能反映出桥臂电阻的微小变化，通过测量非平衡电压就可以检测出外界物理量的变化，例如温度、压力、湿度、光强、磁性等.

1 非平衡电桥工作原理

非平衡电桥的原理图如图1所示，当调节R1、R2和R3，使桥的B、D两端电势相等，这时电桥达到平衡.如果将平衡电桥中的待测电阻换成敏感电阻，当外界条件（如温度、压力、形变等）改变时，传感器阻值会有相应变化，B、D两端电势不再相等，这时电桥处于非平衡状态.假设B、D之间有一负载电阻Rg，其输出电压Ug.如果使R1、R2和R3保持不变，那么Rx变化时Ug也会发生变化.

根据Rx与Ug的函数关系，通过检测桥路的非平衡电压Ug，能反映出桥臂电阻Rx的微小变化，测量外界物理量的变化，这就是非平衡电桥工作的基本原理.［2］

应用非平衡电桥可测量的敏感电阻有以下几种.

图1

2 敏感电阻分类及应用

敏感电阻是指器件特性对温度、电压、湿度、光照、气体、磁场、压力等作用敏感的电阻器.

2.1 压敏电阻

压敏电阻是指在一定电流电压范围内电阻值随电压而变，或者说“电阻值对电压敏感”的电阻器，它是半导体电阻器的一个品种，主要有碳化硅和氧化锌压敏电阻，氧化锌具有更多的优良特性.

压敏电阻主要可用于直流电源、交流电源、低频信号电路、带馈电的大馈线路，比如手机、手提电脑、PDA、数字相机、医疗器械等产品上压敏电阻都有重要作用.

2.2 湿敏电阻

湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的，由感湿层，电极，绝缘体组成，湿敏电阻主要包括氯化锂湿敏电阻，碳湿敏电阻，氧化物湿敏电阻等.

湿敏电阻器广泛应用于洗衣机、空调器、录像机、微波炉等家用电器及工业、农业等方面作湿度检测、湿度控制用.例如HR31湿敏电阻可以应用于仓储、车厢、居室内空气质量控制、楼宇自控、医疗、工业控制系统及科研领域等.

2.3 光敏电阻

光敏电阻是电导率随着光量力的变化而变化的电子元件，当某种物质受到光照时，载流子的浓度增加从而增加了电导率，这就是光电导效应.一般它所用的材料主要有硒、硫化镉、硫化铝、硫化铋、硒化镉、硒化锌、砷化镓、硅等.它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长.

根据光敏电阻的光谱特性可分为紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器和可见光光敏电阻器3种.紫外光敏电阻器对180nm～400nm紫外线较灵敏，用于探测紫外线；红外光敏电阻器对大于780nm的红外线较灵敏，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中；可见光光敏电阻器对于400nm～780nm的可见光敏感，主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面.［3］

2.4 气敏电阻

利用某些半导体吸收某种气体后发生氧化还原反应制成，主要成分是金属氧化物，主要品种有：金属氧化物气敏电阻、复合氧化物气敏电阻、陶瓷气敏电阻等.它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统.

它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等.［4］

2.5 力敏电阻

力敏电阻是一种阻值随压力变化而变化的电阻，国外称为压电电阻器.所谓压力电阻效应即半导体材料的电阻率随机械应力的变化而变化的效应.主要品种有硅力敏电阻器，硒碲合金力敏电阻器，相对而言，合金电阻器具有更高灵敏度.

力敏电阻可制成各种力矩计，半导体话筒，压力传感器等.

2.6 热敏电阻

热敏电阻是指对热敏感的半导体电阻，其阻值随温度变化的曲线呈非线性.热敏电阻按照温度系数的不同分为：正温度系数热敏电阻（PTC）和负温度系数热敏电阻（NTC）.PTC热敏电阻在温度越高时电阻值越大，NTC热敏电阻在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件.

PTC热敏电阻根据其用途的不同分为自动消磁用PTC热敏电阻、延时启动用PTC热敏电阻、恒温加热用PTC热敏电阻和过载过热保护用PTC热敏电阻.自动消磁用PTC热敏电阻主要用于电视机的消磁电路；延时启动用PTC热敏电阻主要用于空调、冰箱电路中；恒温加热用PTC热敏电阻主要用于热水器电路中；过载过热保护用PTC热敏电阻主要用于电子镇流器（节能灯、电子变压器、多用电表、智能电度表）、电视、电脑等电路中.NTC热敏电阻常用于家用电器和工业巾化工生产设备的温度传感器上.［3］

2.7 磁敏电阻

磁敏电阻是利用半导体的磁阻效应制造的，常用InSb（锑化铟）材料加工而成.半导体材料的磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应.

磁敏电阻应用广泛，作控制元件可用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等；作计量元件可用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等方面；作模拟元件可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用；作运算器可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用；作开关电路可用在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面；以及用磁敏电阻作核心元件的各种磁敏传感器等等.［5］

3 电桥实验改革方案

通过以上对非线性电桥以及敏感电阻分类与应用的介绍，不难发现非线性电桥以及敏感电阻在现代科技中的应用越来越广泛，而实验室原有的电桥测电阻实验项目已显陈旧，需要在原有基础上加以改进，使学生接受更新的信息，获取更贴近现代生产生活的知识，使之更符合现在大学物理实验的要求.目前很多学校都有相应的研究，但应用起来都不尽如人意.在实际教学中可将此实验分为两层，第一层让学生学会用平衡电桥法完成对定值电阻基本测量，第二层向学生介绍非平衡电桥和各种敏感电阻及应用，鼓励学生自行设计实验项目并完成相关内容，加深对电阻和电阻测量方法的认识，培养他们的实际操作能力和创新能力.第一层是实验的基本要求，第二层可以让几个学生一组，通过几周的时间来完成，最终提交的形式可以是具体的实物（比如一些小器件），也可以是一些有创新性的设计思想.

教学实践结果表明，由静态测量的平衡电桥实验扩展为动态测量的非平衡电桥实验，可同时涉及力学、热学、光学、电学、磁学实验的内容，原理易于被学生接受，仪器不需很大投入，实用性和可操作性强，能扩展学生的视野，有利于学生的综合实验能力和创新能力的培养.