電橋?qū)嶒?yàn)的改革嘗試

韓向宇 殷鵬飛 夏川茴

（重慶交通大學(xué)理學(xué)院，重慶 400074）

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量的電阻一般都是定值電阻，根據(jù)測(cè)量精度的不同可以有以下不同的方法：對(duì)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(cè)量方法——四端法進(jìn)行測(cè)量（也可采用開爾文電橋法進(jìn)行測(cè)量）；對(duì)于中值電阻（10－106Ω）常采用惠斯登電橋法，這是一個(gè)普物實(shí)驗(yàn)室普遍開設(shè)的電學(xué)基本實(shí)驗(yàn)；而對(duì)于高值電阻（＞107Ω），一般采用兆歐表和數(shù)字多用電表進(jìn)行測(cè)量.然而隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，有越來越多的敏感電阻做成的傳感器件在生產(chǎn)和生活中有了廣泛的應(yīng)用，電橋的應(yīng)用面不再局限于平衡電橋的范圍，非平衡電橋在測(cè)量中已得到廣泛應(yīng)用.因此有必要改革和擴(kuò)展電橋?qū)嶒?yàn)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)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(cè)量非平衡電壓就可以檢測(cè)出外界物理量的變化，例如溫度、壓力、濕度、光強(qiáng)、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(dāng)調(diào)節(jié)R1、R2和R3，使橋的B、D兩端電勢(shì)相等，這時(shí)電橋達(dá)到平衡.如果將平衡電橋中的待測(cè)電阻換成敏感電阻，當(dāng)外界條件（如溫度、壓力、形變等）改變時(shí)，傳感器阻值會(huì)有相應(yīng)變化，B、D兩端電勢(shì)不再相等，這時(shí)電橋處于非平衡狀態(tài).假設(shè)B、D之間有一負(fù)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(shí)Ug也會(huì)發(fā)生變化.

根據(jù)Rx與Ug的函數(shù)關(guān)系，通過檢測(cè)橋路的非平衡電壓Ug，能反映出橋臂電阻Rx的微小變化，測(cè)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(yīng)用非平衡電橋可測(cè)量的敏感電阻有以下幾種.

圖1

2 敏感電阻分類及應(yīng)用

敏感電阻是指器件特性對(duì)溫度、電壓、濕度、光照、氣體、磁場(chǎng)、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(nèi)電阻值隨電壓而變，或者說“電阻值對(duì)電壓敏感”的電阻器，它是半導(dǎo)體電阻器的一個(gè)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(yōu)良特性.

壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號(hào)電路、帶饋電的大饋線路，比如手機(jī)、手提電腦、PDA、數(shù)字相機(jī)、醫(yī)療器械等產(chǎn)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(dǎo)致本身電阻值發(fā)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(yīng)用于洗衣機(jī)、空調(diào)器、錄像機(jī)、微波爐等家用電器及工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面作濕度檢測(cè)、濕度控制用.例如HR31濕敏電阻可以應(yīng)用于倉儲(chǔ)、車廂、居室內(nèi)空氣質(zhì)量控制、樓宇自控、醫(yī)療、工業(yè)控制系統(tǒng)及科研領(lǐng)域等.

2.3 光敏電阻

光敏電阻是電導(dǎo)率隨著光量力的變化而變化的電子元件，當(dāng)某種物質(zhì)受到光照時(shí)，載流子的濃度增加從而增加了電導(dǎo)率，這就是光電導(dǎo)效應(yīng).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(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng).

根據(jù)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(duì)180nm～400nm紫外線較靈敏，用于探測(cè)紫外線；紅外光敏電阻器對(duì)大于780nm的紅外線較靈敏，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體病變探測(cè)、紅外光譜，紅外通信等國(guó)防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中；可見光光敏電阻器對(duì)于400nm～780nm的可見光敏感，主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置，照相機(jī)自動(dòng)曝光裝置，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面.［3］

2.4 氣敏電阻

利用某些半導(dǎo)體吸收某種氣體后發(fā)生氧化還原反應(yīng)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(fù)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(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警；還可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng).

它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測(cè)、瓦斯氣體的檢測(cè)、煤氣的檢測(cè)、氟利昂的檢測(cè)、呼氣中乙醇的檢測(cè)、人體口腔口臭的檢測(cè)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(guó)外稱為壓電電阻器.所謂壓力電阻效應(yīng)即半導(dǎo)體材料的電阻率隨機(jī)械應(yīng)力的變化而變化的效應(yīng).主要品種有硅力敏電阻器，硒碲合金力敏電阻器，相對(duì)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(jì)，半導(dǎo)體話筒，壓力傳感器等.

2.6 熱敏電阻

熱敏電阻是指對(duì)熱敏感的半導(dǎo)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(shù)的不同分為：正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）.PTC熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越大，NTC熱敏電阻在溫度越高時(shí)電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件.

PTC熱敏電阻根據(jù)其用途的不同分為自動(dòng)消磁用PTC熱敏電阻、延時(shí)啟動(dòng)用PTC熱敏電阻、恒溫加熱用PTC熱敏電阻和過載過熱保護(hù)用PTC熱敏電阻.自動(dòng)消磁用PTC熱敏電阻主要用于電視機(jī)的消磁電路；延時(shí)啟動(dòng)用PTC熱敏電阻主要用于空調(diào)、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(hù)用PTC熱敏電阻主要用于電子鎮(zhèn)流器（節(jié)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(yè)巾化工生產(chǎn)設(shè)備的溫度傳感器上.［3］

2.7 磁敏電阻

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

磁敏電阻應(yīng)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(jì)量元件可用于磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量、位移測(cè)量、頻率測(cè)量和功率因數(shù)測(cè)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(shù)式模擬和負(fù)阻抗模擬等方面使用；作運(yùn)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(guān)電路可用在接近開關(guān)、磁卡文字識(shí)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?qū)嶒?yàn)改革方案

通過以上對(duì)非線性電橋以及敏感電阻分類與應(yīng)用的介紹，不難發(fā)現(xiàn)非線性電橋以及敏感電阻在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用越來越廣泛，而實(shí)驗(yàn)室原有的電橋測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已顯陳舊，需要在原有基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，使學(xué)生接受更新的信息，獲取更貼近現(xiàn)代生產(chǎn)生活的知識(shí)，使之更符合現(xiàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的要求.目前很多學(xué)校都有相應(yīng)的研究，但應(yīng)用起來都不盡如人意.在實(shí)際教學(xué)中可將此實(shí)驗(yàn)分為兩層，第一層讓學(xué)生學(xué)會(huì)用平衡電橋法完成對(duì)定值電阻基本測(cè)量，第二層向?qū)W生介紹非平衡電橋和各種敏感電阻及應(yīng)用，鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并完成相關(guān)內(nèi)容，加深對(duì)電阻和電阻測(cè)量方法的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)他們的實(shí)際操作能力和創(chuàng)新能力.第一層是實(shí)驗(yàn)的基本要求，第二層可以讓幾個(gè)學(xué)生一組，通過幾周的時(shí)間來完成，最終提交的形式可以是具體的實(shí)物（比如一些小器件），也可以是一些有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)思想.

教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，由靜態(tài)測(cè)量的平衡電橋?qū)嶒?yàn)擴(kuò)展為動(dòng)態(tài)測(cè)量的非平衡電橋?qū)嶒?yàn)，可同時(shí)涉及力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，原理易于被學(xué)生接受，儀器不需很大投入，實(shí)用性和可操作性強(qiáng)，能擴(kuò)展學(xué)生的視野，有利于學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力的培養(yǎng).

4 小結(jié)

開展多層次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)，增設(shè)反映現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果的新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是課程教學(xué)內(nèi)容改革的關(guān)鍵和難點(diǎn).本實(shí)驗(yàn)通過改進(jìn)直流電橋?qū)嶒?yàn)內(nèi)容，既保證了基本實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練要求，又能以現(xiàn)代科技應(yīng)用為背景來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰烷_拓創(chuàng)新精神.

1 丘偉，任明放.“電橋測(cè)量”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22（8）：68－71

2 李林，徐澤紅，吳新全.應(yīng)用非平衡電橋測(cè)量電阻實(shí)驗(yàn)的研究.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24（3）：31

3 宋秀玲.熱敏電阻與光敏電阻.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16（16）：256－258

4 沈國(guó)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(guó)，王元瑋等.當(dāng)代磁敏電阻型傳感器的發(fā)展與應(yīng)用.傳感器世界，1996，2（8）：22－26