電橋實驗的改革嘗試

韓向宇 殷鵬飛 夏川茴

（重慶交通大學理學院，重慶 400074）

在大學物理實驗中所測量的電阻一般都是定值電阻，根據測量精度的不同可以有以下不同的方法：對于低值電阻（10Ω以下）需采用可消除接觸電阻和引線電阻的測量方法——四端法進行測量（也可采用開爾文電橋法進行測量）；對于中值電阻（10－106Ω）常采用惠斯登電橋法，這是一個普物實驗室普遍開設的電學基本實驗；而對于高值電阻（＞107Ω），一般采用兆歐表和數字多用電表進行測量.然而隨著測量技術的發展，有越來越多的敏感電阻做成的傳感器件在生產和生活中有了廣泛的應用，電橋的應用面不再局限于平衡電橋的范圍，非平衡電橋在測量中已得到廣泛應用.因此有必要改革和擴展電橋實驗內容，指導學生學習和研究非平衡電橋及敏感電阻.［1］將各種電阻型傳感器接入電橋回路，橋路的非平衡電壓就能反映出橋臂電阻的微小變化，通過測量非平衡電壓就可以檢測出外界物理量的變化，例如溫度、壓力、濕度、光強、磁性等.

1 非平衡電橋工作原理

非平衡電橋的原理圖如圖1所示，當調節R1、R2和R3，使橋的B、D兩端電勢相等，這時電橋達到平衡.如果將平衡電橋中的待測電阻換成敏感電阻，當外界條件（如溫度、壓力、形變等）改變時，傳感器阻值會有相應變化，B、D兩端電勢不再相等，這時電橋處于非平衡狀態.假設B、D之間有一負載電阻Rg，其輸出電壓Ug.如果使R1、R2和R3保持不變，那么Rx變化時Ug也會發生變化.

根據Rx與Ug的函數關系，通過檢測橋路的非平衡電壓Ug，能反映出橋臂電阻Rx的微小變化，測量外界物理量的變化，這就是非平衡電橋工作的基本原理.［2］

應用非平衡電橋可測量的敏感電阻有以下幾種.

圖1

2 敏感電阻分類及應用

敏感電阻是指器件特性對溫度、電壓、濕度、光照、氣體、磁場、壓力等作用敏感的電阻器.

2.1 壓敏電阻

壓敏電阻是指在一定電流電壓范圍內電阻值隨電壓而變，或者說“電阻值對電壓敏感”的電阻器，它是半導體電阻器的一個品種，主要有碳化硅和氧化鋅壓敏電阻，氧化鋅具有更多的優良特性.

壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號電路、帶饋電的大饋線路，比如手機、手提電腦、PDA、數字相機、醫療器械等產品上壓敏電阻都有重要作用.

2.2 濕敏電阻

濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導致本身電阻值發生變化這一原理而制成的，由感濕層，電極，絕緣體組成，濕敏電阻主要包括氯化鋰濕敏電阻，碳濕敏電阻，氧化物濕敏電阻等.

濕敏電阻器廣泛應用于洗衣機、空調器、錄像機、微波爐等家用電器及工業、農業等方面作濕度檢測、濕度控制用.例如HR31濕敏電阻可以應用于倉儲、車廂、居室內空氣質量控制、樓宇自控、醫療、工業控制系統及科研領域等.

2.3 光敏電阻

光敏電阻是電導率隨著光量力的變化而變化的電子元件，當某種物質受到光照時，載流子的濃度增加從而增加了電導率，這就是光電導效應.一般它所用的材料主要有硒、硫化鎘、硫化鋁、硫化鉍、硒化鎘、硒化鋅、砷化鎵、硅等.它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長.

根據光敏電阻的光譜特性可分為紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器和可見光光敏電阻器3種.紫外光敏電阻器對180nm～400nm紫外線較靈敏，用于探測紫外線；紅外光敏電阻器對大于780nm的紅外線較靈敏，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農業生產中；可見光光敏電阻器對于400nm～780nm的可見光敏感，主要用于各種光電控制系統，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置，照相機自動曝光裝置，光電計數器，煙霧報警器，光電跟蹤系統等方面.［3］

2.4 氣敏電阻

利用某些半導體吸收某種氣體后發生氧化還原反應制成，主要成分是金屬氧化物，主要品種有：金屬氧化物氣敏電阻、復合氧化物氣敏電阻、陶瓷氣敏電阻等.它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電信號，根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中的存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統.

它的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等.［4］

2.5 力敏電阻

力敏電阻是一種阻值隨壓力變化而變化的電阻，國外稱為壓電電阻器.所謂壓力電阻效應即半導體材料的電阻率隨機械應力的變化而變化的效應.主要品種有硅力敏電阻器，硒碲合金力敏電阻器，相對而言，合金電阻器具有更高靈敏度.

力敏電阻可制成各種力矩計，半導體話筒，壓力傳感器等.

2.6 熱敏電阻

熱敏電阻是指對熱敏感的半導體電阻，其阻值隨溫度變化的曲線呈非線性.熱敏電阻按照溫度系數的不同分為：正溫度系數熱敏電阻（PTC）和負溫度系數熱敏電阻（NTC）.PTC熱敏電阻在溫度越高時電阻值越大，NTC熱敏電阻在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件.

PTC熱敏電阻根據其用途的不同分為自動消磁用PTC熱敏電阻、延時啟動用PTC熱敏電阻、恒溫加熱用PTC熱敏電阻和過載過熱保護用PTC熱敏電阻.自動消磁用PTC熱敏電阻主要用于電視機的消磁電路；延時啟動用PTC熱敏電阻主要用于空調、冰箱電路中；恒溫加熱用PTC熱敏電阻主要用于熱水器電路中；過載過熱保護用PTC熱敏電阻主要用于電子鎮流器（節能燈、電子變壓器、多用電表、智能電度表）、電視、電腦等電路中.NTC熱敏電阻常用于家用電器和工業巾化工生產設備的溫度傳感器上.［3］

2.7 磁敏電阻

磁敏電阻是利用半導體的磁阻效應制造的，常用InSb（銻化銦）材料加工而成.半導體材料的磁阻效應包括物理磁阻效應和幾何磁阻效應.

磁敏電阻應用廣泛，作控制元件可用于交流變換器、頻率變換器、功率電壓變換器、磁通密度電壓變換器和位移電壓變換器等；作計量元件可用于磁場強度測量、位移測量、頻率測量和功率因數測量等方面；作模擬元件可在非線性模擬、平方模擬、立方模擬、三次代數式模擬和負阻抗模擬等方面使用；作運算器可用磁敏電阻在乘法器、除法器、平方器、開平方器、立方器和開立方器等方面使用；作開關電路可用在接近開關、磁卡文字識別和磁電編碼器等方面；以及用磁敏電阻作核心元件的各種磁敏傳感器等等.［5］

3 電橋實驗改革方案

通過以上對非線性電橋以及敏感電阻分類與應用的介紹，不難發現非線性電橋以及敏感電阻在現代科技中的應用越來越廣泛，而實驗室原有的電橋測電阻實驗項目已顯陳舊，需要在原有基礎上加以改進，使學生接受更新的信息，獲取更貼近現代生產生活的知識，使之更符合現在大學物理實驗的要求.目前很多學校都有相應的研究，但應用起來都不盡如人意.在實際教學中可將此實驗分為兩層，第一層讓學生學會用平衡電橋法完成對定值電阻基本測量，第二層向學生介紹非平衡電橋和各種敏感電阻及應用，鼓勵學生自行設計實驗項目并完成相關內容，加深對電阻和電阻測量方法的認識，培養他們的實際操作能力和創新能力.第一層是實驗的基本要求，第二層可以讓幾個學生一組，通過幾周的時間來完成，最終提交的形式可以是具體的實物（比如一些小器件），也可以是一些有創新性的設計思想.

教學實踐結果表明，由靜態測量的平衡電橋實驗擴展為動態測量的非平衡電橋實驗，可同時涉及力學、熱學、光學、電學、磁學實驗的內容，原理易于被學生接受，儀器不需很大投入，實用性和可操作性強，能擴展學生的視野，有利于學生的綜合實驗能力和創新能力的培養.

4 小結

開展多層次實驗設計教學，增設反映現代科學技術成果的新實驗項目，是課程教學內容改革的關鍵和難點.本實驗通過改進直流電橋實驗內容，既保證了基本實驗的訓練要求，又能以現代科技應用為背景來激發學生的學習興趣和積極性，有助于培養學生的綜合實驗能力和開拓創新精神.

1 丘偉，任明放.“電橋測量”實驗設計.桂林電子工業學院學報，2002，22（8）：68－71

2 李林，徐澤紅，吳新全.應用非平衡電橋測量電阻實驗的研究.實驗技術與管理，2007，24（3）：31

3 宋秀玲.熱敏電阻與光敏電阻.科技情報開發與經濟，2006，16（16）：256－258

4 沈國偉.氣敏電阻在儀器儀表中.儀器與未來，1992，4（7）：12－13

5 田躍，和文國，王元瑋等.當代磁敏電阻型傳感器的發展與應用.傳感器世界，1996，2（8）：22－26