学文网【摘要】本文介绍了非平衡电桥在大学物理实验中的四种应用，利用非平衡电桥测电阻、测温度、测应变、测光照强度，并自组实验进行了测量。
【关键词】非平衡电桥；电阻；温度；应变；光照强度
非平衡电桥是单臂电桥在非平衡状态下的一种工程运用，当外界温度、压力、光照等物理量发生变化时，相应的电阻传感器电阻值发生变化，电桥就从平衡状态（预调平衡）变成不平衡状态，通过测量指零仪表测量的电压（或电流）发生的变化即所表征的电阻传感器电阻值的变化从而间接的测量出传感器相应物理状态的变化。
非平衡电桥在大学物理实验中的应用研究包括以下内容：非平衡电桥在电磁学中的应用：非平衡电桥测电阻；非平衡电桥在热学中的应用：利用非平衡电桥设计制作半导体热敏电阻温度计测温度；非平衡电桥在力学中的应用：利用非平衡电桥测物体的应变；非平衡电桥在光学中的应用：利用非平衡电桥测光照强度。
1.非平衡电桥测电阻
按照立式电桥使用非平衡电桥方法：选择R1=R2，且设置为一定值；R3设置为一定值。以电阻箱作为被测电阻，显然，RX的预置值应等于R3的值，将其按照二端电阻接入仪器“RX”的两个测量端子。按单臂电桥使用方法，微调R3使电桥达到预调平衡。设想由于某个物理量的变化，RX值发生了变化（实验中使用电阻箱阻值发生变化替代上述物理过程），电桥从预调平衡状态转为不平衡状态，指零仪表测的输出电压将从零开始产生一组变化数据。
一般情况下，由下式计算出非平衡电桥测量值：
式中，R1、R2、R3——桥臂电阻示值，U0——电压表示值，E——工作电压值，由工作电压示牌提供。
2.利用非平衡电桥设计制作半导体热敏电阻温度计测温度
某些金属氧化物半导体的电阻与温度的关系满足式（1）：，式中RT是温度T时的热敏电阻阻值，R是T趋于无穷时热敏电阻的阻值，B是热敏电阻的材料常数，T为热力学温度。因为半导体电阻对温度变化的反应比金属电阻灵敏得多，所以我们利用非平衡电桥设计制作半导体热敏电阻温度计测温度。
把热敏电阻接到RX处，将调压器输出调为零，测室温下的热敏电阻阻值，先调电桥至平衡得R0，改变R0为R0+R0使检流计偏转一格，求出电桥灵敏度。然后调节变压器输出进行加温，从25℃开始起每隔5℃测量一次Rt，直至85℃，绘出热敏电阻的Rt-t特性曲线。作曲线，确定式（1）中的常数B和。根据曲线改直后，直线的斜率k=B，在y轴上的截距，根据曲线改直后的***形所得的B和电阻常数更加准确一些。根据式（1）可得：。因此理论上来说，曲线应该是直线。一般来说，确定直线的参数要比确定曲线的参数要容易得多，因此用曲线改直后的***形所得到的结果要准确的多。
如果电源电压保持不变，那么一定温度T对应一定的RT，而RT又对应一定的U0即为相应的电压表偏转量。所以表中通过的电压值就直接与温度变化有关。这样由于测试变化引起的桥臂RT电阻值的变化可以直接由电表指针偏转大小来决定。只要事先对电表进行标定，就可以根据电压表的读数来表示测量温度的大小。
3.非平衡电桥测物体的应变
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或者半导体材料在外力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种效应成为“应变效应”。
首先将电阻应变片粘贴在弹性体上，然后把电阻应变片接到RX处，可用非平衡电桥测出其阻值R0。当被测物体在外力作用下发生形变，产生应变，然后传递给与之连接的应变片，引起应变片电阻值的变化，通过测量电路变成电压输出，计算出RX。如果产生的应变用ε表示，电桥灵敏系数用k表示，则有。物体的应变值可先用专门仪器测出，则可由实验计算得出电桥灵敏系数k。（每批应变片可抽样测取k值，取其平均值。）这样确定了R0、RX、k后就可不再用专门的仪器测应变，而直接用非平衡电桥测量然后再计算出弹性体产生的应变ε。
4.利用非平衡电桥测光照强度
光照下物体的电导率改变的现象称为内光电效应（光导效应），光敏电阻是基于内光电效应的光电元件。光敏电阻又称光导管，它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质，半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。
光源采用了白色高亮度发光二极管，它具有效率高、体积小、耗电少和寿命长等优点。为了充分利用光源，在光源后放置了透镜1，这样点光源经透镜1出射平行光。实验过程中照射光强度变化由偏振器来控制，偏振器由1对偏振片组成，两偏振片间的夹角与照射光强度I有以下关系I=I0cos2。其中I0为当两偏振片平行时的出射光强。当平行光入射至射偏振器后，通过改变两偏振片间的夹角可达到调节照射光强度变化的目的。在偏振器后面再设置透镜2，目的是使由偏振器出射的平行光能高效、均匀地照射光敏电阻。
将光敏电阻接入非平衡电桥RX处，然后将某待测光源直接照射在测量仪的光照接收口（光敏电阻表面），开始可通过使用光照强度测量仪来测量相应光照的强度，不同光照强度导致光敏电阻值变化不同，从而使电路的输出电压也相应变化，根据测量数据作出电压-光照强度曲线关系***。这样有了电压-光照强度曲线关系***，光敏电阻在未知光照的照射下，就可由非平衡电桥的输出电压值查找到对应的光照强度值。
参考文献
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基金来源：德州学院2011年实验技术项目“非平衡电桥在大学物理实验中的应用研究”（项目编号：409982）。
作者简介：王桂英（1970—），女，山东平原人，理学学士，德州学院高级实验师，研究方向：电磁学实验教学。
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