惠斯通电桥| 工作，示例，应用

2021-04-28

惠斯通电桥| 工作，示例，应用

在模拟电子世界中，我们遇到了各种信号，其中一些是通过电阻的变化来测量的，而另一些是通过电感和电容的变化来测量的。

如果考虑电阻，则大多数工业传感器（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电阻值的变化。因此，需要对每个基于电阻的传感器进行信号调节。

例如，我们能想到的最简单的器件是光敏电阻或LDR。顾名思义，LDR是一种设备，其电阻会根据其上照射的光量而变化。

通常，电阻测量分为三种类型：

低电阻测量

中电阻测量

高电阻测量

如果电阻测量值可能在几微欧姆到几欧姆之间，则认为它是低电阻测量值。该测量实际上用于研究目的。如果测量范围是从1欧姆到几百KΩ，则通常称为中电阻测量。普通电阻器，电位器，热敏电阻等的测量属于此类别。

从几兆欧姆到超过100兆欧姆，都可以考虑非常高的电阻测量。为了找到电阻的中间值，使用了不同的方法，但是大多数使用了惠斯通电桥。

什么是惠斯通电桥？

桥接网络或电路是最流行的电子工具之一，通常用于测量电路，换能器电路，开关电路以及振荡器中。

惠斯通电桥是最常见，最简单的桥网络/电路之一，可用于非常精确地测量电阻。但惠斯通电桥通常与换能器一起使用，以测量诸如温度，压力，应变等物理量。

惠斯通电桥用于需要在传感器中测量电阻微小变化的应用中。这用于将电阻的变化转换为换能器的电压的变化。该桥与运算放大器的组合已广泛用于各种换能器和传感器的工业中。

例如，热敏电阻的电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。根据应用类型的不同，惠斯通电桥可以在平衡状态或非平衡状态下运行。

惠斯通电桥由四个电阻（R 1，R 2，R 3和R 4）组成，这些电阻以菱形连接，直流电源跨接在电阻的顶部和底部（电路中的C和D）。菱形，输出穿过其他两端（电路中的A和B）。

通过将该桥与已知电阻值进行比较，可以非常精确地找到未知电阻。在该桥中，使用“空”或“平衡”条件来查找未知电阻。

为了使该电桥处于平衡状态，A点和B点的输出电压必须等于0。从上述电路中：

在以下情况下，网桥处于平衡状态：

 V OUT = 0 V 

为了简化对以上电路的分析，让我们重画如下：

现在，对于平衡状态，电阻器R 1和R 2两端的电压相等。如果V 1是R 1两端的电压，而V 2是R 2两端的电压，则：

 V 1 = V 2 

类似地，电阻器R 3（我们称其为V 3）和R 4（我们称其为V 4）两端的电压也相等。所以，

 V 3 = V 4 

电压比可以写成：

 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，如果我们知道三个电阻的值，则可以轻松计算出第四个电阻的电阻。

计算电阻的另一种方法

在重画电路中，如果V IN为输入电压，则点A的电压为：

 V IN（R 3 /（R 1 + R 3）） 

同样，B点的电压为：

 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是未知电阻，则可以根据R 2，R 3和R 4的已知值来计算其值。通常，未知的值被称为为R X和三个已知的电阻，一个电阻器（主要是- [R 3在上面的电路）通常为称为为R的可变电阻V。

使用平衡的惠斯通电桥查找未知电阻

在上面的电路中，让我们假设R 1是一个未知电阻。所以，让我们把它叫做[R X。电阻器R 2和R 4具有固定值。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，电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，因此我们可以轻松地调节另一个已知的电阻器（R 3）以实现上述条件。因此，重要的是在于R 3是可变电阻器，我们称之为- [R V。

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

将R X放入电路中后，调整R V，直到检流计指向0。此时，记下R V的值。通过使用下面的公式，我们可以计算未知电阻器R X。

 R X = R V（R 2 / R 4） 

不平衡惠斯通电桥

如果上述电路中的V OUT不等于0（V OUT ≠0），则惠斯通电桥被称为不平衡惠斯通电桥。通常，不平衡惠斯通电桥通常用于测量不同的物理量，例如压力，温度，应变等。

为此，换能器必须为电阻型，即，当换能器的测量量（温度，应变等）变化时，换能器的电阻会适当变化。在前面的电阻计算示例中，可以代替未知电阻，我们可以连接传感器。

惠斯通电桥用于温度测量

现在让我们看看如何使用不平衡的惠斯通电桥来测量温度。我们将在这里使用的换能器称为热敏电阻，它是一个与温度有关的电阻器。根据热敏电阻的温度系数，温度的变化将增加或减小热敏电阻的电阻。

结果，电桥V OUT的输出电压将变为非零值。这意味着输出电压V OUT与温度成正比。通过校准电压表，我们可以根据输出电压显示温度。

惠斯通电桥应变测量

惠斯通电桥最常用的应用之一是应变测量。应变仪是一种其电阻与机械因素（例如压力，力或应变）成比例变化的设备。

通常，应变仪电阻的范围是30Ω至3000Ω。对于给定的应变，电阻变化可能只是整个范围的一小部分。因此，为了精确地测量电阻的分数变化，使用了惠斯通电桥配置。

下面的电路显示了惠斯通电桥，其中未知电阻被应变仪取代。

由于外力，应变仪的电阻改变，结果，电桥变得不平衡。可以校准输出电压以显示应变的变化。

应变计和惠斯通电桥的一种流行配置是体重秤。在这种情况下，应变仪作为一个称为称重传感器的单元小心地安装，该单元是将机械力转换为电信号的换能器。

通常，体重秤由四个称重传感器组成，当外力作用时，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，则电阻会增加或减小。因此，这导致桥的不平衡。这会在电压表上产生与应变变化相对应的电压指示。如果施加在应变仪上的应变更大，则仪表两端的电压差会更大。如果应变为零，则电桥平衡并且仪表显示零读数。

这是关于使用惠斯通电桥进行精确测量的电阻测量。由于电阻的分数测量，惠斯通电桥通常用于应变仪和温度计的测量。

应用领域

惠斯通电桥用于精确测量非常低的电阻值。

惠斯通电桥与运算放大器一起用于测量物理参数，例如温度，应变，光等。

我们还可以使用惠斯通电桥上的变化来测量电容，电感和阻抗的数量。