惠斯通電橋| 工作，示例，應用

2021-04-28

惠斯通電橋| 工作，示例，應用

在模擬電子世界中，我們遇到了各種信號，其中一些是通過(guò)電阻的變化來(lái)測量的，而另一些是通過(guò)電感和電容的變化來(lái)測量的。

如果考慮電阻，則大多數工業(yè)傳感器（例如溫度，應變，濕度，位移，液位等）都會(huì )在相應數量的等效變化下產(chǎn)生電阻值的變化。因此，需要對每個(gè)基于電阻的傳感器進(jìn)行信號調節。

例如，我們能想到的最簡(jiǎn)單的器件是光敏電阻或LDR。顧名思義，LDR是一種設備，其電阻會(huì )根據其上照射的光量而變化。

通常，電阻測量分為三種類(lèi)型：

低電阻測量

中電阻測量

高電阻測量

如果電阻測量值可能在幾微歐姆到幾歐姆之間，則認為它是低電阻測量值。該測量實(shí)際上用于研究目的。如果測量范圍是從1歐姆到幾百KΩ，則通常稱(chēng)為中電阻測量。普通電阻器，電位器，熱敏電阻等的測量屬于此類(lèi)別。

從幾兆歐姆到超過(guò)100兆歐姆，都可以考慮非常高的電阻測量。為了找到電阻的中間值，使用了不同的方法，但是大多數使用了惠斯通電橋。

什么是惠斯通電橋？

橋接網(wǎng)絡(luò )或電路是最流行的電子工具之一，通常用于測量電路，換能器電路，開(kāi)關(guān)電路以及振蕩器中。

惠斯通電橋是最常見(jiàn)，最簡(jiǎn)單的橋網(wǎng)絡(luò )/電路之一，可用于非常精確地測量電阻。但惠斯通電橋通常與換能器一起使用，以測量諸如溫度，壓力，應變等物理量。

惠斯通電橋用于需要在傳感器中測量電阻微小變化的應用中。這用于將電阻的變化轉換為換能器的電壓的變化。該橋與運算放大器的組合已廣泛用于各種換能器和傳感器的工業(yè)中。

例如，熱敏電阻的電阻隨著(zhù)溫度的變化而變化。同樣，應變計在承受壓力，力或位移時(shí)，其阻力也會(huì )發(fā)生變化。根據應用類(lèi)型的不同，惠斯通電橋可以在平衡狀態(tài)或非平衡狀態(tài)下運行。

惠斯通電橋由四個(gè)電阻（R 1，R 2，R 3和R 4）組成，這些電阻以菱形連接，直流電源跨接在電阻的頂部和底部（電路中的C和D）。菱形，輸出穿過(guò)其他兩端（電路中的A和B）。

通過(guò)將該橋與已知電阻值進(jìn)行比較，可以非常精確地找到未知電阻。在該橋中，使用“空”或“平衡”條件來(lái)查找未知電阻。

為了使該電橋處于平衡狀態(tài)，A點(diǎn)和B點(diǎn)的輸出電壓必須等于0。從上述電路中：

在以下情況下，網(wǎng)橋處于平衡狀態(tài)：

 V OUT = 0 V 

為了簡(jiǎn)化對以上電路的分析，讓我們重畫(huà)如下：

現在，對于平衡狀態(tài)，電阻器R 1和R 2兩端的電壓相等。如果V 1是R 1兩端的電壓，而V 2是R 2兩端的電壓，則：

 V 1 = V 2 

類(lèi)似地，電阻器R 3（我們稱(chēng)其為V 3）和R 4（我們稱(chēng)其為V 4）兩端的電壓也相等。所以，

 V 3 = V 4 

電壓比可以寫(xiě)成：

 V 1 / V 3 = V 2 / V 4 

根據歐姆定律，我們得到：

 I 1 R 1 / I 3 R 3 = I 2 R 2 / I 4 R 4 

由于I 1 = I 3和I 2 = I 4，我們得到：

 R 1 / R 3 = R 2 / R 4 

根據上面的公式，如果我們知道三個(gè)電阻的值，則可以輕松計算出第四個(gè)電阻的電阻。

計算電阻的另一種方法

在重畫(huà)電路中，如果V IN為輸入電壓，則點(diǎn)A的電壓為：

 V IN（R 3 /（R 1 + R 3）） 

同樣，B點(diǎn)的電壓為：

 V IN（R 4 /（R 2 + R 4）） 

對于要平衡橋，V OUT = 0。但我們知道， V OUT = V一- V乙 。

因此，在平衡橋條件下，

 V A = V B 

使用上面的方程式，我們得到：

 V IN（R 3 /（R 1 + R 3））= V IN（R 4 /（R 2 + R 4）） 

通過(guò)簡(jiǎn)單地操作上述方程式，我們得到：

 R 1 / R 3 = R 2 / R 4 

根據上式，如果R 1是未知電阻，則可以根據R 2，R 3和R 4的已知值來(lái)計算其值。通常，未知的值被稱(chēng)為為R X和三個(gè)已知的電阻，一個(gè)電阻器（主要是- [R 3在上面的電路）通常為稱(chēng)為為R的可變電阻V。

使用平衡的惠斯通電橋查找未知電阻

在上面的電路中，讓我們假設R 1是一個(gè)未知電阻。所以，讓我們把它叫做[R X。電阻器R 2和R 4具有固定值。也就是說(shuō)，比率R 2 / R 4也固定?，F在，根據上面的計算，要創(chuàng )建一個(gè)平衡條件，電阻器的比率必須相等，即

 R X / R 3 = R 2 / R 4 

由于比率R 2 / R 4是固定的，因此我們可以輕松地調節另一個(gè)已知的電阻器（R 3）以實(shí)現上述條件。因此，重要的是在于R 3是可變電阻器，我們稱(chēng)之為- [R V。

但是，我們如何檢測平衡狀態(tài)？在這里可以使用檢流計（舊式電流表）。通過(guò)將檢流計放置在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間，我們可以檢測到平衡狀態(tài)。

將R X放入電路中后，調整R V，直到檢流計指向0。此時(shí)，記下R V的值。通過(guò)使用下面的公式，我們可以計算未知電阻器R X。

 R X = R V（R 2 / R 4） 

不平衡惠斯通電橋

如果上述電路中的V OUT不等于0（V OUT ≠0），則惠斯通電橋被稱(chēng)為不平衡惠斯通電橋。通常，不平衡惠斯通電橋通常用于測量不同的物理量，例如壓力，溫度，應變等。

為此，換能器必須為電阻型，即，當換能器的測量量（溫度，應變等）變化時(shí)，換能器的電阻會(huì )適當變化。在前面的電阻計算示例中，可以代替未知電阻，我們可以連接傳感器。

惠斯通電橋用于溫度測量

現在讓我們看看如何使用不平衡的惠斯通電橋來(lái)測量溫度。我們將在這里使用的換能器稱(chēng)為熱敏電阻，它是一個(gè)與溫度有關(guān)的電阻器。根據熱敏電阻的溫度系數，溫度的變化將增加或減小熱敏電阻的電阻。

結果，電橋V OUT的輸出電壓將變?yōu)榉橇阒?。這意味著(zhù)輸出電壓V OUT與溫度成正比。通過(guò)校準電壓表，我們可以根據輸出電壓顯示溫度。

惠斯通電橋應變測量

惠斯通電橋最常用的應用之一是應變測量。應變儀是一種其電阻與機械因素（例如壓力，力或應變）成比例變化的設備。

通常，應變儀電阻的范圍是30Ω至3000Ω。對于給定的應變，電阻變化可能只是整個(gè)范圍的一小部分。因此，為了精確地測量電阻的分數變化，使用了惠斯通電橋配置。

下面的電路顯示了惠斯通電橋，其中未知電阻被應變儀取代。

由于外力，應變儀的電阻改變，結果，電橋變得不平衡?？梢孕瘦敵鲭妷阂燥@示應變的變化。

應變計和惠斯通電橋的一種流行配置是體重秤。在這種情況下，應變儀作為一個(gè)稱(chēng)為稱(chēng)重傳感器的單元小心地安裝，該單元是將機械力轉換為電信號的換能器。

通常，體重秤由四個(gè)稱(chēng)重傳感器組成，當外力作用時(shí)，兩個(gè)應變儀會(huì )膨脹或拉伸（拉伸型），放置載荷時(shí)，兩個(gè)應變儀會(huì )壓縮（壓縮型）。

如果應變儀是張緊的或壓縮的，則電阻會(huì )增加或減小。因此，這導致橋的不平衡。這會(huì )在電壓表上產(chǎn)生與應變變化相對應的電壓指示。如果施加在應變儀上的應變更大，則儀表兩端的電壓差會(huì )更大。如果應變?yōu)榱?，則電橋平衡并且儀表顯示零讀數。

這是關(guān)于使用惠斯通電橋進(jìn)行精確測量的電阻測量。由于電阻的分數測量，惠斯通電橋通常用于應變儀和溫度計的測量。

應用領(lǐng)域

惠斯通電橋用于精確測量非常低的電阻值。

惠斯通電橋與運算放大器一起用于測量物理參數，例如溫度，應變，光等。

我們還可以使用惠斯通電橋上的變化來(lái)測量電容，電感和阻抗的數量。