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惠斯通電橋| 工作,示例,應(yīng)用
惠斯通電橋| 工作,示例,應(yīng)用
在模擬電子世界中,我們遇到了各種信號(hào),其中一些是通過(guò)電阻的變化來(lái)測(cè)量的,而另一些是通過(guò)電感和電容的變化來(lái)測(cè)量的。
如果考慮電阻,則大多數(shù)工業(yè)傳感器(例如溫度,應(yīng)變,濕度,位移,液位等)都會(huì)在相應(yīng)數(shù)量的等效變化下產(chǎn)生電阻值的變化。因此,需要對(duì)每個(gè)基于電阻的傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。
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(shè)備,其電阻會(huì)根據(jù)其上照射的光量而變化。
通常,電阻測(cè)量分為三種類型:
低電阻測(cè)量
中電阻測(cè)量
高電阻測(cè)量
如果電阻測(cè)量值可能在幾微歐姆到幾歐姆之間,則認(rèn)為它是低電阻測(cè)量值。該測(cè)量實(shí)際上用于研究目的。如果測(cè)量范圍是從1歐姆到幾百KΩ,則通常稱為中電阻測(cè)量。普通電阻器,電位器,熱敏電阻等的測(cè)量屬于此類別。
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(cè)量。為了找到電阻的中間值,使用了不同的方法,但是大多數(shù)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(cè)量電路,換能器電路,開關(guān)電路以及振蕩器中。
惠斯通電橋是最常見,最簡(jiǎn)單的橋網(wǎng)絡(luò)/電路之一,可用于非常精確地測(cè)量電阻。但惠斯通電橋通常與換能器一起使用,以測(cè)量諸如溫度,壓力,應(yīng)變等物理量。
惠斯通電橋用于需要在傳感器中測(cè)量電阻微小變化的應(yīng)用中。這用于將電阻的變化轉(zhuǎn)換為換能器的電壓的變化。該橋與運(yùn)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溫度的變化而變化。同樣,應(yīng)變計(jì)在承受壓力,力或位移時(shí),其阻力也會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)應(yīng)用類型的不同,惠斯通電橋可以在平衡狀態(tài)或非平衡狀態(tài)下運(yùn)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(duì)以上電路的分析,讓我們重畫如下:
現(xiàn)在,對(duì)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
類似地,電阻器R 3(我們稱其為V 3)和R 4(我們稱其為V 4)兩端的電壓也相等。所以,
V 3 = V 4
電壓比可以寫成:
V 1 / V 3 = V 2 / V 4
根據(jù)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(jù)上面的公式,如果我們知道三個(gè)電阻的值,則可以輕松計(jì)算出第四個(gè)電阻的電阻。
計(jì)算電阻的另一種方法
在重畫電路中,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(duì)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(jù)上式,如果R 1是未知電阻,則可以根據(jù)R 2,R 3和R 4的已知值來(lái)計(jì)算其值。通常,未知的值被稱為為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(shè)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。現(xiàn)在,根據(jù)上面的計(jì)算,要?jiǎng)?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(diào)節(jié)另一個(gè)已知的電阻器(R 3)以實(shí)現(xiàn)上述條件。因此,重要的是在于R 3是可變電阻器,我們稱之為- [R V。
但是,我們?nèi)绾螜z測(cè)平衡狀態(tài)?在這里可以使用檢流計(jì)(舊式電流表)。通過(guò)將檢流計(jì)放置在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間,我們可以檢測(cè)到平衡狀態(tài)。
將R X放入電路中后,調(diào)整R V,直到檢流計(jì)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(jì)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),則惠斯通電橋被稱為不平衡惠斯通電橋。通常,不平衡惠斯通電橋通常用于測(cè)量不同的物理量,例如壓力,溫度,應(yīng)變等。
為此,換能器必須為電阻型,即,當(dāng)換能器的測(cè)量量(溫度,應(yīng)變等)變化時(shí),換能器的電阻會(huì)適當(dāng)變化。在前面的電阻計(jì)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(cè)量
現(xiàn)在讓我們看看如何使用不平衡的惠斯通電橋來(lái)測(cè)量溫度。我們將在這里使用的換能器稱為熱敏電阻,它是一個(gè)與溫度有關(guān)的電阻器。根據(jù)熱敏電阻的溫度系數(shù),溫度的變化將增加或減小熱敏電阻的電阻。
結(jié)果,電橋V OUT的輸出電壓將變?yōu)榉橇阒怠_@意味著輸出電壓V OUT與溫度成正比。通過(guò)校準(zhǔn)電壓表,我們可以根據(jù)輸出電壓顯示溫度。
惠斯通電橋應(yīng)變測(cè)量
惠斯通電橋最常用的應(yīng)用之一是應(yīng)變測(cè)量。應(yīng)變儀是一種其電阻與機(jī)械因素(例如壓力,力或應(yīng)變)成比例變化的設(shè)備。
通常,應(yīng)變儀電阻的范圍是30Ω至3000Ω。對(duì)于給定的應(yīng)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(cè)量電阻的分?jǐn)?shù)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(yīng)變儀取代。
由于外力,應(yīng)變儀的電阻改變,結(jié)果,電橋變得不平衡。可以校準(zhǔn)輸出電壓以顯示應(yīng)變的變化。
應(yīng)變計(jì)和惠斯通電橋的一種流行配置是體重秤。在這種情況下,應(yīng)變儀作為一個(gè)稱為稱重傳感器的單元小心地安裝,該單元是將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器。
通常,體重秤由四個(gè)稱重傳感器組成,當(dāng)外力作用時(shí),兩個(gè)應(yīng)變儀會(huì)膨脹或拉伸(拉伸型),放置載荷時(shí),兩個(gè)應(yīng)變儀會(huì)壓縮(壓縮型)。
如果應(yīng)變儀是張緊的或壓縮的,則電阻會(huì)增加或減小。因此,這導(dǎo)致橋的不平衡。這會(huì)在電壓表上產(chǎn)生與應(yīng)變變化相對(duì)應(yīng)的電壓指示。如果施加在應(yīng)變儀上的應(yīng)變更大,則儀表兩端的電壓差會(huì)更大。如果應(yīng)變?yōu)榱悖瑒t電橋平衡并且儀表顯示零讀數(shù)。
這是關(guān)于使用惠斯通電橋進(jìn)行精確測(cè)量的電阻測(cè)量。由于電阻的分?jǐn)?shù)測(cè)量,惠斯通電橋通常用于應(yīng)變儀和溫度計(jì)的測(cè)量。
應(yīng)用領(lǐng)域
惠斯通電橋用于精確測(cè)量非常低的電阻值。
惠斯通電橋與運(yùn)算放大器一起用于測(cè)量物理參數(shù),例如溫度,應(yīng)變,光等。
我們還可以使用惠斯通電橋上的變化來(lái)測(cè)量電容,電感和阻抗的數(shù)量。