什么是惠斯通電橋？詳解惠斯通電橋工作原理

在模擬電子世界中，我們會遇到各種信號，其中一些是通過電阻變化來測量的，而另一些是通過電感和電容的變化來測量的。如果我們考慮電阻，大多數工業傳感器，如溫度、應變、濕度、位移、液位等，都會產生相應數量的等效變化的電阻值變化。因此，需要為每個基于電阻的傳感器進行信號調節。

例如，我們能想到的最簡單的設備是光敏電阻器或LDR。顧名思義，LDR是一種常見的電子元器件，其電阻會根據落在其上的光量而變化。

一般來說，電阻測量分為三種：

（1）低電阻測量。
（2）中等電阻測量。
（3）高阻測量。

如果電阻測量可能從幾微歐到毫歐，那么它被認為是低電阻測量。這種測量實際上用于研究目的。如果測量從1歐姆到幾百KΩ，則通常稱為中等電阻測量。普通電阻器、電位器、熱敏電阻等的測量屬于這一類。

非常高的電阻測量被認為是從幾兆歐到大于100兆歐。為了找到電阻的中間值，使用了不同的方法，但主要使用惠斯通電橋。

一、什么是惠斯通電橋？

橋接網絡或電路是最流行和最流行的電氣工具之一，通常用于測量電路、傳感器電路、開關電路以及振蕩器。

惠斯通電橋是最常見、最簡單的電橋網絡/電路之一，可用于非常精確地測量電阻。但通?；菟雇姌蚺c傳感器一起使用來測量物理量，如溫度、壓力、應變等。

惠斯通電橋用于在傳感器中測量電阻的微小變化的應用。這用于將電阻的變化轉換為換能器的電壓變化。該電橋與運算放大器的組合在工業中廣泛用于各種傳感器和傳感器。

例如，熱敏電阻的電阻在溫度變化時會發生變化。同樣，應變計在受到壓力、力或位移時，其電阻會發生變化。根據應用的類型，惠斯通電橋可以在平衡條件或非平衡條件下運行。

惠斯通電橋由四個電阻器（R1、R2、R3和R4）組成，它們以菱形連接，直流電源連接在電路的頂部和底部點（電路中的C和D）之間。鉆石和輸出跨越其他兩端（電路中的A和B）。

該電橋用于通過將未知電阻與已知電阻值進行比較來非常精確地找到未知電阻。在此橋中，使用Null或Balanced條件來查找未知電阻。

為了使該橋處于平衡狀態，A點和B點的輸出電壓必須等于0。從上述電路中：

在以下情況下，橋梁處于平衡狀態：

VOUT=0V

為簡化上述電路的分析，我們重新繪制如下：

現在，對于平衡條件，電阻器R1和R2兩端的電壓相等。如果V1是R1兩端的電壓，V2是R2兩端的電壓，則：

V1=V2

類似地，電阻器R3（讓我們稱其為V3）和R4（讓我們稱其為V4）兩端的電壓也相等。所以，

V3=V4

電壓比可以寫成：

V1/V3=V2/V4

根據歐姆定律，我們得到：

I1R1/I3R3=I2R2/I4R4

由于I1=I3和I2=I4，我們得到：

R1/R3=R2/R4

從上面的等式，如果我們知道三個電阻的值，我們就可以很容易地計算出第四個電阻的電阻。

二、計算電阻的替代方法

從重新繪制的電路中，如果VIN為輸入電壓，則A點電壓為：

VIN(R3/(R1+R3))

同樣，B點的電壓為：

VIN(R4/(R2+R4))

對于要平衡的電橋，VOUT=0。但我們知道VOUT=VA–VB。

所以，在平衡橋條件下，

VA=VB

使用上面的方程，我們得到：

VIN(R3/(R1+R3))=VIN(R4/(R2+R4))

對上述等式進行簡單操作后，我們得到：

R1/R3=R2/R4

從上面的等式，如果R1是一個未知的電阻器，它的值可以從R2、R3和R4的已知值計算出來。通常，未知值稱為RX并且在三個已知電阻中，一個電阻（在上述電路中主要是R3）通常是稱為RV的可變電阻。

三、使用平衡惠斯通電橋查找未知電阻

在上面的電路中，讓我們假設R1是一個未知電阻。所以，讓我們稱它為RX。電阻器R2和R4具有固定值。這意味著，比率R2/R4也是固定的?，F在，根據上面的計算，要創建平衡條件，電阻的比率必須相等，即，

RX/R3=R2/R4

由于比率R2/R4是固定的，我們可以很容易地調整另一個已知的電阻器(R3)來實現上述條件。因此，重要的是R3是可變電阻器，我們稱之為RV。

但是我們如何檢測平衡條件呢？這是可以使用電流計（老式電流表）的地方。通過將電流計放在A點和B點之間，我們可以檢測到平衡條件。

將RX置于電路中，調整RV直到電流計指向0。此時，記下RV的值。通過使用以下公式，我們可以計算未知電阻RX。

RX=RV(R2/R4)

四、不平衡惠斯通電橋

如果上述電路中的VOUT不等于0（VOUT≠0），則稱惠斯通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，如壓力、溫度、應變等。

為此，傳感器必須是電阻型的，即傳感器的電阻在其測量的量（溫度、應變等）發生變化時相應地發生變化。代替前面電阻計算示例中的未知電阻，我們可以連接傳感器。

五、用于溫度測量的惠斯通電橋

現在讓我們看看如何使用不平衡惠斯通電橋測量溫度。我們將在這里使用的傳感器稱為熱敏電阻，它是一種溫度相關的電阻器。根據熱敏電阻的溫度系數，溫度的變化將增加或減少熱敏電阻的電阻。

結果，橋VOUT的輸出電壓將變為非零值。這意味著輸出電壓VOUT與溫度成正比。通過校準電壓表，我們可以根據輸出電壓顯示溫度。

六、用于應變測量的惠斯通電橋

惠斯通電橋最常用的應用之一是應變測量。應變計是一種電阻隨壓力、力或應變等機械因素成比例變化的設備。

通常，應變片電阻的范圍是從30Ω到3000Ω。對于給定的應變，電阻變化可能只是整個范圍的一小部分。因此，為了準確測量電阻的分數變化，使用惠斯通電橋配置。

下面的電路顯示了惠斯通電橋，其中未知電阻被應變計取代。

由于外力，應變片的電阻會發生變化，從而導致電橋變得不平衡?？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，應變計被小心地安裝為稱為稱重傳感器的單個單元，它是一種將機械力轉換為電信號的傳感器。

通常，體重秤由四個稱重傳感器組成，其中兩個應變片在外力作用時膨脹或拉伸（拉伸型），兩個應變片在施加載荷時壓縮（壓縮型）。

如果應變計被拉緊或壓縮，則電阻會增加或減少。因此，這會導致橋的不平衡。這會在電壓表上產生對應于應變變化的電壓指示。如果施加在應變計上的應變更大，則儀表端子之間的電壓差更大。如果應變為零，則電橋平衡并且儀表顯示零讀數。

這是關于使用惠斯通電橋進行精確測量的電阻測量。由于電阻的分數測量，惠斯通電橋主要用于應變計和溫度計測量。

七、惠斯通電橋的應用

（1）惠斯通電橋用于精確測量非常低的電阻值。
（2）惠斯通電橋與運算放大器一起用于測量溫度、應變、光等物理參數。
（3）我們還可以使用惠斯通電橋的變化來測量電容、電感和阻抗的量。

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