直流電橋測電阻實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中，測量的阻力通常是固定的。根據(jù)測量精度，可以采用以下不同的方法：對(duì)于低值電阻（10以下），有必要使用消除接觸電阻和導(dǎo)向電阻的測量方法（或采用開爾文電橋法）。對(duì)于平均電阻（10-106），通常采用惠斯登電橋法，這是普物實(shí)驗(yàn)室提供的基本物理實(shí)驗(yàn)。對(duì)于高值電橋（>107），通常使用兆歐表和數(shù)字多功能表進(jìn)行測量。然而，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，越來越多的敏感電橋裝置被用作制造和生活。電橋的應(yīng)用范圍不僅限于無平衡電橋的范圍，而且非平衡電橋在測量中得到了廣泛應(yīng)用。因此，有必要改革和擴(kuò)大電橋?qū)嶒?yàn)的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究非平衡電橋和敏感電橋的相關(guān)電橋。不同電壓的電橋電路連接到電橋電路電路。橋路的不平衡電壓可以反映橋臂電橋的輕微變化。通過測量低平衡電壓，可以檢測外部變量的變化，如溫度、壓力、濕度、光強(qiáng)、磁性等。1非平衡電橋的敏感電阻測量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兩端電勢相等,這時(shí)電橋達(dá)到平衡.如果將平衡電橋中的待測電阻換成敏感電阻,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.應(yīng)用非平衡電橋可測量的敏感電阻有以下幾種.2敏感電阻器的分類和應(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、壓力等作用敏感的電阻器.2.1電阻器和壓敏電阻器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濕度控制應(yīng)用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、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光敏電阻器光敏電阻是電導(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.它的敏感波長在可見光波長附近,包括紅外線波長和紫外線波長.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、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜,紅外通信等國防、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.2.4.有良好的圍巖電利用某些半導(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、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、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、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.2.5壓力電阻效應(yīng)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(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.2.6ptc熱敏電阻的用途熱敏電阻是指對(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.2.7物理控制元件使用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)量元件可用于磁場強(qiáng)度測量、位移測量、頻率測量和功率因數(shù)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(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.3實(shí)驗(yàn)方法的選擇通過以上對(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)測量的平衡電橋?qū)嶒?yàn)擴(kuò)展為動(dòng)態(tài)測量的非平衡電橋?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