惠斯通電(diàn)桥| 工作，示例，应用(yòng)

2021-04-28

惠斯通電(diàn)桥| 工作，示例，应用(yòng)

在模拟電(diàn)子世界中，我们遇到了各种信号，其中一些是通过電(diàn)阻的变化来测量的，而另一些是通过電(diàn)感和電(diàn)容的变化来测量的。

如果考虑電(diàn)阻，则大多(duō)数工业传感器（例如温度，应变，湿度，位移，液位等）都会在相应数量的等效变化下产生電(diàn)阻值的变化。因此，需要对每个基于電(diàn)阻的传感器进行信号调节。

例如，我们能(néng)想到的最简单的器件是光敏電(diàn)阻或LDR。顾名思义，LDR是一种设备，其電(diàn)阻会根据其上照射的光量而变化。

通常，電(diàn)阻测量分(fēn)為(wèi)三种类型：

低電(diàn)阻测量

中電(diàn)阻测量

高電(diàn)阻测量

如果電(diàn)阻测量值可(kě)能(néng)在几微欧姆到几欧姆之间，则认為(wèi)它是低電(diàn)阻测量值。该测量实际上用(yòng)于研究目的。如果测量范围是从1欧姆到几百KΩ，则通常称為(wèi)中電(diàn)阻测量。普通電(diàn)阻器，電(diàn)位器，热敏電(diàn)阻等的测量属于此类别。

从几兆欧姆到超过100兆欧姆，都可(kě)以考虑非常高的電(diàn)阻测量。為(wèi)了找到電(diàn)阻的中间值，使用(yòng)了不同的方法，但是大多(duō)数使用(yòng)了惠斯通電(diàn)桥。

什么是惠斯通電(diàn)桥？

桥接网络或電(diàn)路是最流行的電(diàn)子工具之一，通常用(yòng)于测量電(diàn)路，换能(néng)器電(diàn)路，开关電(diàn)路以及振荡器中。

惠斯通電(diàn)桥是最常见，最简单的桥网络/電(diàn)路之一，可(kě)用(yòng)于非常精确地测量電(diàn)阻。但惠斯通電(diàn)桥通常与换能(néng)器一起使用(yòng)，以测量诸如温度，压力，应变等物(wù)理(lǐ)量。

惠斯通電(diàn)桥用(yòng)于需要在传感器中测量電(diàn)阻微小(xiǎo)变化的应用(yòng)中。这用(yòng)于将電(diàn)阻的变化转换為(wèi)换能(néng)器的電(diàn)压的变化。该桥与运算放大器的组合已广泛用(yòng)于各种换能(néng)器和传感器的工业中。

例如，热敏電(diàn)阻的電(diàn)阻随着温度的变化而变化。同样，应变计在承受压力，力或位移时，其阻力也会发生变化。根据应用(yòng)类型的不同，惠斯通電(diàn)桥可(kě)以在平衡状态或非平衡状态下运行。

惠斯通電(diàn)桥由四个電(diàn)阻（R 1，R 2，R 3和R 4）组成，这些電(diàn)阻以菱形连接，直流電(diàn)源跨接在電(diàn)阻的顶部和底部（電(diàn)路中的C和D）。菱形，输出穿过其他(tā)两端（電(diàn)路中的A和B）。

通过将该桥与已知電(diàn)阻值进行比较，可(kě)以非常精确地找到未知電(diàn)阻。在该桥中，使用(yòng)“空”或“平衡”条件来查找未知電(diàn)阻。

為(wèi)了使该電(diàn)桥处于平衡状态，A点和B点的输出電(diàn)压必须等于0。从上述電(diàn)路中：

在以下情况下，网桥处于平衡状态：

 V OUT = 0 V 

為(wèi)了简化对以上電(diàn)路的分(fēn)析，让我们重画如下：

现在，对于平衡状态，電(diàn)阻器R 1和R 2两端的電(diàn)压相等。如果V 1是R 1两端的電(diàn)压，而V 2是R 2两端的電(diàn)压，则：

 V 1 = V 2 

类似地，電(diàn)阻器R 3（我们称其為(wèi)V 3）和R 4（我们称其為(wèi)V 4）两端的電(diàn)压也相等。所以，

 V 3 = V 4 

電(diàn)压比可(kě)以写成：

 V 1 / V 3 = V 2 / V 4 

根据欧姆定律，我们得到：

 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，我们得到：

 R 1 / R 3 = R 2 / R 4 

根据上面的公式，如果我们知道三个電(diàn)阻的值，则可(kě)以轻松计算出第四个電(diàn)阻的電(diàn)阻。

计算電(diàn)阻的另一种方法

在重画電(diàn)路中，如果V IN為(wèi)输入電(diàn)压，则点A的電(diàn)压為(wèi)：

 V IN（R 3 /（R 1 + R 3）） 

同样，B点的電(diàn)压為(wèi)：

 V IN（R 4 /（R 2 + R 4）） 

对于要平衡桥，V OUT = 0。但我们知道， V OUT = V一- V乙 。

因此，在平衡桥条件下，

 V A = V B 

使用(yòng)上面的方程式，我们得到：

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

通过简单地操作上述方程式，我们得到：

 R 1 / R 3 = R 2 / R 4 

根据上式，如果R 1是未知電(diàn)阻，则可(kě)以根据R 2，R 3和R 4的已知值来计算其值。通常，未知的值被称為(wèi)為(wèi)R X和三个已知的電(diàn)阻，一个電(diàn)阻器（主要是- [R 3在上面的電(diàn)路）通常為(wèi)称為(wèi)為(wèi)R的可(kě)变電(diàn)阻V。

使用(yòng)平衡的惠斯通電(diàn)桥查找未知電(diàn)阻

在上面的電(diàn)路中，让我们假设R 1是一个未知電(diàn)阻。所以，让我们把它叫做[R X。電(diàn)阻器R 2和R 4具有(yǒu)固定值。也就是说，比率R 2 / R 4也固定。现在，根据上面的计算，要创建一个平衡条件，電(diàn)阻器的比率必须相等，即

 R X / R 3 = R 2 / R 4 

由于比率R 2 / R 4是固定的，因此我们可(kě)以轻松地调节另一个已知的電(diàn)阻器（R 3）以实现上述条件。因此，重要的是在于R 3是可(kě)变電(diàn)阻器，我们称之為(wèi)- [R V。

但是，我们如何检测平衡状态？在这里可(kě)以使用(yòng)检流计（旧式電(diàn)流表）。通过将检流计放置在A点和B点之间，我们可(kě)以检测到平衡状态。

将R X放入電(diàn)路中后，调整R V，直到检流计指向0。此时，记下R V的值。通过使用(yòng)下面的公式，我们可(kě)以计算未知電(diàn)阻器R X。

 R X = R V（R 2 / R 4） 

不平衡惠斯通電(diàn)桥

如果上述電(diàn)路中的V OUT不等于0（V OUT ≠0），则惠斯通電(diàn)桥被称為(wèi)不平衡惠斯通電(diàn)桥。通常，不平衡惠斯通電(diàn)桥通常用(yòng)于测量不同的物(wù)理(lǐ)量，例如压力，温度，应变等。

為(wèi)此，换能(néng)器必须為(wèi)電(diàn)阻型，即，当换能(néng)器的测量量（温度，应变等）变化时，换能(néng)器的電(diàn)阻会适当变化。在前面的電(diàn)阻计算示例中，可(kě)以代替未知電(diàn)阻，我们可(kě)以连接传感器。

惠斯通電(diàn)桥用(yòng)于温度测量

现在让我们看看如何使用(yòng)不平衡的惠斯通電(diàn)桥来测量温度。我们将在这里使用(yòng)的换能(néng)器称為(wèi)热敏電(diàn)阻，它是一个与温度有(yǒu)关的電(diàn)阻器。根据热敏電(diàn)阻的温度系数，温度的变化将增加或减小(xiǎo)热敏電(diàn)阻的電(diàn)阻。

结果，電(diàn)桥V OUT的输出電(diàn)压将变為(wèi)非零值。这意味着输出電(diàn)压V OUT与温度成正比。通过校准電(diàn)压表，我们可(kě)以根据输出電(diàn)压显示温度。

惠斯通電(diàn)桥应变测量

惠斯通電(diàn)桥最常用(yòng)的应用(yòng)之一是应变测量。应变仪是一种其電(diàn)阻与机械因素（例如压力，力或应变）成比例变化的设备。

通常，应变仪電(diàn)阻的范围是30Ω至3000Ω。对于给定的应变，電(diàn)阻变化可(kě)能(néng)只是整个范围的一小(xiǎo)部分(fēn)。因此，為(wèi)了精确地测量電(diàn)阻的分(fēn)数变化，使用(yòng)了惠斯通電(diàn)桥配置。

下面的電(diàn)路显示了惠斯通電(diàn)桥，其中未知電(diàn)阻被应变仪取代。

由于外力，应变仪的電(diàn)阻改变，结果，電(diàn)桥变得不平衡。可(kě)以校准输出電(diàn)压以显示应变的变化。

应变计和惠斯通電(diàn)桥的一种流行配置是體(tǐ)重秤。在这种情况下，应变仪作為(wèi)一个称為(wèi)称重传感器的单元小(xiǎo)心地安装，该单元是将机械力转换為(wèi)電(diàn)信号的换能(néng)器。

通常，體(tǐ)重秤由四个称重传感器组成，当外力作用(yòng)时，两个应变仪会膨胀或拉伸（拉伸型），放置载荷时，两个应变仪会压缩（压缩型）。

如果应变仪是张紧的或压缩的，则電(diàn)阻会增加或减小(xiǎo)。因此，这导致桥的不平衡。这会在電(diàn)压表上产生与应变变化相对应的電(diàn)压指示。如果施加在应变仪上的应变更大，则仪表两端的電(diàn)压差会更大。如果应变為(wèi)零，则電(diàn)桥平衡并且仪表显示零读数。

这是关于使用(yòng)惠斯通電(diàn)桥进行精确测量的電(diàn)阻测量。由于電(diàn)阻的分(fēn)数测量，惠斯通電(diàn)桥通常用(yòng)于应变仪和温度计的测量。

应用(yòng)领域

惠斯通電(diàn)桥用(yòng)于精确测量非常低的電(diàn)阻值。

惠斯通電(diàn)桥与运算放大器一起用(yòng)于测量物(wù)理(lǐ)参数，例如温度，应变，光等。

我们还可(kě)以使用(yòng)惠斯通電(diàn)桥上的变化来测量電(diàn)容，電(diàn)感和阻抗的数量。