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非平衡直流电桥直流电桥是一种精密的电阻测量仪器，具有重要的应用价值。
按电桥的测量方式可分为平衡电桥和非平衡电桥。
平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进行比较，通过调节电桥平衡，从而测得待测电阻值，如单臂直流电桥(惠斯登电桥)、双臂直流电桥(开尔文电桥)。
它们只能用于测量具有相对稳定状态的物理量，而在实际工程中和科学实验中，很多物理量是连续变化的，只能采用非平衡电桥才能测量；非平衡电桥的基本原理是通过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，再进行运算处理，从而得到引起电阻变化的其它物理量，如温度、压力、形变等。
［实验目的］1、直流单臂电桥(惠斯登电桥)测量电阻的基本原理和操作方法；2、非平衡直流电桥电压输出方法测量电阻的基本原理和操作方法；［实验原理］FQJ-Ⅲ型教学用非平衡直流电桥包括单臂直流电桥，双臂直流电桥，非平衡直流电桥，下面对它们的工作原理分别进行介绍。
(一)单臂电桥(惠斯登电桥)单臂电桥是平衡电桥，其原理见图1，图2为FQJ-Ⅲ型的单臂电桥部分的接线示意图。
图1单桥的原理图2单桥测量电阻图1中：R1、R2、R3、R4构成一电桥，A、C两端供一恒定桥压Us，B、D之间为有一检流计G，当平衡时，G无电流流过，BD两点为等电位，则：UBC=UDC,I1=I4,I2=I3下式成立：I1R1=I2R2I3R3=I4R4由于R4=Rx，于是有R4为待测电阻Px，R3为标准比较电阻，式中K=R1/R2，称为比率，一般惠斯登电桥的K有0.001、0.01、0.1、1、10、100、1000等。
本电桥的比率K可以任选。
根据待测电阻大小，选择K后，只要调节R3，使电桥平衡，检流计为0，就可以根据(1)式得到待测电阻Rx之值。
(1)(二)双臂电桥(开尔文电桥)由于单臂电桥未知臂的内引线、被测电阻的连接导线及端钮的接触电阻等影响，使单臂电桥测量小电阻时准确度难以提高，双臂电桥较好地解决了测量小电阻时线路灵敏度、引线、接触电阻所带来的测量误差，而且属于一次平衡测量，读数直观、方便。
5.3 压力传感器及非平衡电桥信号转换技术
【预习重点】：
1．什么是电阻应变效应？
2．本实验所用压力传感器的构造原理
3．了解实验中所用仪器及测量量
【教学要求】：
1．了解应变压力传感器的组成、结构及工作参数
2．了解非电量的转换及测量方法－电桥法
3．掌握测量压力传感器的灵敏度及物体的重量
4．掌握测量传感器电源电压与电桥关系
【教学重点】：
四臂输入时电桥的电压输出特性
【教学难点】：
电阻应变效应
压力传感器的结构
惠斯登全桥差动电路原理
【课程讲授】：
一、实验原理
1．什么是电阻应变效应？
电阻应变片
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。
（1856年W. Thomson 发现）
一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为
式中： ρ——电阻丝的电阻率；
l ——电阻丝的长度；
A ——电阻丝的截面积。
当收到沿轴向的力作用下，其长度、电阻率、界面都要发生变化，有如下关系式：
R L A R L A ρρ∆∆∆∆=+-
金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。
利用这种应力转变为应变，进而转换为电阻的变化。
电阻应变片结构 l R A
ρ
=
引线覆盖层基片
金属电阻应变片的结构
1）敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。
金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式。
丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成。
2）覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.03～0.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。
基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。
2．压力传感器结构
压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器。
把力的作用，转换成电阻的变换，利用电桥电路使这种电阻的变换再次变为电压或者电流的变化。
其中A代表弹性体，
由金属材料冶炼而成，。
中间挖空是为了产
生弹性。
其中四个电
阻R1、R2、R3、R4是
四片电阻片，梁的一
端固定，另一端自由，用于加载负荷（如外力F）。
当弹性梁受力弯曲的时候，上表面受拉，电阻片R1、R3也受拉而导致电阻变大，梁下表面受压，R2、R4电阻减小。
这样外力的作用通过梁的形变使得四个电阻值发生变化，这就是压力传感器。
把电阻变换转换为电压的变换要借助电桥。
3．全桥差动电路
电桥：是将电阻、电容和电感等电参数变换量变换成电压或者电流值的一种电路。
我们所用的是直流非平衡电阻电桥来实现将上面非电量（力学量）装换成电阻变换，最后转换成电压或者电流的变化。
直流电桥电路
压力传感器没有外力作用时，电桥电路如上图，AB两端的电压
14
1234
()
R R
U E
R R R R
=-
++
当U0=0时，称电桥处于平衡状态。
此时有：
1324
R R R R
=
g g
由于在我们实验中所采用压力传感器贴的是四片相同的电阻，其阻值相同。
所以有
1234
R R R R
===
所以满足电桥平衡条件。
当传感器受到外力作用的时候，电路变为如下图所示：
此时电桥不平衡，并有
1144 0
11221324
()
R R R R
U E
R R R R R R R R
+∆-∆
=-
+∆+-∆+∆+-∆
当满足如下条件：
1234R R R R ∆=∆=∆=∆
可以得到
0R U E R
∆=g 由上面表达式可以看出：
1） 电桥不平衡输出的电压U 0与电阻的变化∆R 成正比，也即是严格的线
性关系。
所以如果测出U 0就可以知道外力的大小。
2） 如果按照灵敏度定义0u U S R
=∆,可以知道全桥差动电路的灵敏度
为： E S R =
可见当桥臂电阻一定时，适当增加直流电源电压可以提高电桥的输出灵敏度，但是过高的电源电压受到两方面限制：一是应变片的温度，二是应变电桥电阻的温度误差。
二、实验仪器（略）
1、压力传感器测试仪
2、压力传感器
3、砝码
4、待测物体
5、导线
三、实验步骤（略）
四、数据记录
所有数据表格由学生自己设计
五、数据处理
六、注意事项
在实验前预热十五分钟，实验中所加重量不超过10kg，本实验只要求大家加到5kg就好。
加减砝码时要轻拿轻放，以免损坏应变片。
七、思考题
1．传感器不受外力时，理论上电桥处于平衡状态，但实测时电桥总是不平衡，为什么？
2．传感器的灵敏度与电源电压有何关系？电源电压能无限制加大吗？为什么？。
