实验6-2 非平衡电桥测量热敏电阻特性参数实验原理
惠斯登电桥
电桥电路是电学中一种很基本的电路连接方式，应用非常广泛。基本的电桥电路如图1所示，这种电路的特点是把四个电学元件（可以是电阻，也可以是电容、电感，甚至是非线性元件，称为“桥臂”）连接成四边形，在它的一条对角线A和B上连接电源，而在另一条对角线C和D上接检测器，用来比较C和D两点电势是否相同。所谓“桥”，指的就是C和D两点之间的电流通路。当 C、D的电位相等时称为电桥平衡，此时，电流表 G中无电流通过。反之，若C 、D两点的电势不相等，称为电桥不平衡。
图1 惠斯登电桥示意图
电桥是利用比较法进行电磁测量的一种电路连接方式，它不仅可以测量很多电学量，而且配合不同的传感器件，可以测量很多非电学量。电桥电路具有测量准确、稳定性好、方法巧妙、使用方便等优点。因此，它在自动检测和自动控制领域的应用极广。特别在近几年飞速发展起来的传感器技术中，电桥电路是很重要的组成部分。
直流电桥的四个桥臂都是纯电阻元件，探测器一般用灵敏检流计。惠斯登电桥是典型的直流电桥，早在1833年就有人提出基本的电桥网络，十年之后，英国人惠斯登利用它精确测量电阻，故得名。交流电桥用交流电源（市电、信号发生器等）供电，桥臂可以是电容、电感以及它们的组合，探测器不能再用检流计，通常用耳机、示波器、振动式灵敏电流计或其它整流型交流放大器。由于交流电桥的桥臂特性变化繁多，因而使用范围更为广泛：它可以用来测量电容、电感、两线圈的互感以及耦合系数、磁性材料的磁导率、饱和特性、电容器的介质损耗等。当电桥的平衡条件与频率有关时，还可用来测量频率或者液体的电量。
直流电桥工作在平衡态可以准确测量未知电阻，但平衡的调节要求比较严格，而且需要耗费一定的时间。在实际的生产技术中，往往有些电阻准确度要求不是很高，但需要连续快捷的测量，例如铁路桥梁的应力检测、产品质量检查、测量变化的温度等，在这些情况中，非平衡直流电桥得到了广泛的应用，这时电桥中的某一个或几个桥臂往往是具有一定功能的传感元件，这些元件的电阻值可以由某一物理量的一系列变化而引起相应改变，利用非平衡电桥可以很快连续测量这些传感元件电阻值的改变，就可以得到这些物理量变化的信息，因此，由于各类传感器日新月异地发展，非平衡电桥的应用日益广泛。
惠斯登简介
惠斯登（Charles Wheatstone，1802-1875），英国物理学家、发明家，具有非凡技巧的实验家。1834年他借助旋转镜观测电火花，测定导体中电流流过的速度；1835年研究电火花的光谱，得出该光谱只取决于金属电极材料，而与电火花通过的气体无关；1837年发明五针电报机并获得专利。两年后，在派丁顿与西德累顿之间架设了第一条商用电报线；1858年研制出第一个具有实用价值的自动发报装置。
欧姆定律传入英国较晚，但传入后很快受到惠斯登的重视。1843年他发表了欧姆定律的实验证明，进而发展了电阻的测量方法，发明了变阻器和惠斯通电桥。在被卡利亚讲座中，他对欧姆的研究工作表示赞扬和钦佩，此举引起德国科学界及政府对欧姆研究工作的关注。
他首先在发电机中采用电磁铁。1867年与西门子（W. von Siemens，1816-1892）独立地提出自激发电机原理，为制造大容量发电机开辟了美好的前景。
在其他方面，惠斯登于1829年发明六角手风琴，1837年查明了音色决定于泛音的相对强度。他还发明了观察立体图像的体视镜，现在仍用于观察X射线和航空照相。
参考文献：
大学物理实验（第二版），刘金龙，李海主编，2017年
非平衡电桥在预测地震的应用
岩石在地壳运动的过程中，要受到各种能量所产生 的作用力的推动．地壳岩石在受力发生构造变形的过程中，必定产生一种与这种推动力相抗衡的内力．我们把地壳岩石中的单位面积上的这种内力，叫做地壳岩石的应力，简称地应力，它是量度地壳岩石内力的尺度．在地壳中的各个地点，地应力值的大小是不相同的，变化也是很不一致的．一般地说，地震的孕育和发生的过程，乃是地壳岩石中地应力的积累和释放的过程．在这个过程中，地应力必然地是从一个相对平衡的、变化不大的正常状态，转化到一个发生不均匀的、强烈变化的异常状态．因此，地应力值的异常变化，是地震的一种前兆现象．图1为“非平衡电桥地应力仪”的结构原理和线路．图中 R2、R3、R4 都是精确的碳膜电阻，Rx 是自制的受压可以改变电阻值的电阻元件，称为传感探头，也叫“压力传感器”，是一种“转换元件”．其受压，碳粉紧缩，电阻值变小，电流增大；压力减小，碳粉松弛，电阻值变大，电流减小．在探头内的碳粉中混入一定比例的橡皮粉，能使碳粉具有良好的弹性，提高传感探头的灵敏性．其结构如图1所示，其中 a 表示碳粉、橡皮粉混合物，b 表示薄铜片电极，c 表示密封胶皮外套（能很好解决湿度的影响），d 表示电极引出的导线。
当电桥在平衡条件下，Rx·R4＝ R2·R3，这时微安表中没有电流通过，表针指0．如果传感探头的电阻值有变化，则 Rx·R4≠ R2·R3，电桥失去平衡，安表中有电流流过，表针指出一定的电流值，此电流值反映出 Rx 的变化数值的大小。使用时应把传感探头埋入地下，最好放在温度变化较小的岩洞、防空洞里的岩石或坚实的土层上，否则，也可在较平坦干燥的地方，挖一个比传感探头稍大一点、深度长于1m 的小孔，然后把传感探头放进孔中，并把探头受力的方向摆在所需的方向上，位置摆好后埋土压实，使传感探头的电阻值与此“非平衡电桥地应力仪”中所用的碳膜电阻值相等或相近似．引出两侧的导线，接通电路，微安表电流值的变化，就可直接反映出探头的电阻值的变化．探头电阻值的变化，则是地应力变化所造成的．所以，根据微安表电流值变化的规律和特点，排除如温度、湿度、地下水压力等干扰因素，结合其他地震前兆现象，即自然界里一系列的物理、化学、生物、气象等方面发生异常变化的现象，找出其变化同地震发生的对应关系，以求监视和预测地震。
参考文献：
[1]张燕军, 张哲宁. "非平衡电桥"实际应用一例[J]. 物理教师, 2009, 30(004):43-43.
