一文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(shù)工業(yè)傳感器，如溫度、應(yīng)變、濕度、位移、液位等，都會產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的等效變化的電阻值變化。因此，需要為每個(gè)基于電阻的傳感器進(jìn)行信號調(diào)節(jié)。

例如，我們能想到的最簡單的設(shè)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(jù)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(rèn)為是低電阻測量。這種測量實(shí)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(rèn)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(wǎng)絡(luò)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(guān)電路以及振蕩器。

惠斯通電橋是最常見、最簡單的電橋網(wǎng)絡(luò)/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(yīng)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(yīng)用。這用于將電阻的變化轉(zhuǎn)換為換能器的電壓變化。該電橋與運(yùn)算放大器的組合在工業(yè)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(shí)會發(fā)生變化。同樣，應(yīng)變計(jì)在受到壓力、力或位移時(shí)，其電阻會發(fā)生變化。根據(jù)應(yīng)用的類型，惠斯通電橋可以在平衡條件或非平衡條件下運(yùn)行。

惠斯通電橋由四個(gè)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(diǎn)（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(jìn)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(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，橋梁處于平衡狀態(tài)：

VOUT=0V

為簡化上述電路的分析，我們重新繪制如下：

現(xiàn)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(jù)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(gè)電阻的值，我們就可以很容易地計(jì)算出第四個(gè)電阻的電阻。

二、計(jì)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(diǎn)電壓為：

VIN（R3/（R1+R3））

同樣，B點(diǎn)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(jìn)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(gè)未知的電阻器，它的值可以從R2、R3和R4的已知值計(jì)算出來。通常，未知值稱為RX并且在三個(gè)已知電阻中，一個(gè)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(shè)R1是一個(gè)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(xiàn)在，根據(jù)上面的計(jì)算，要?jiǎng)?chuàng)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(diào)整另一個(gè)已知的電阻器（R3）來實(shí)現(xiàn)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?nèi)绾?a target="_blank">檢測平衡條件呢？這是可以使用電流計(jì)（老式電流表）的地方。通過將電流計(jì)放在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間，我們可以檢測到平衡條件。

將RX置于電路中，調(diào)整RV直到電流計(jì)指向0。此時(shí)，記下RV的值。通過使用以下公式，我們可以計(jì)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(yīng)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(yīng)變等）發(fā)生變化時(shí)相應(yīng)地發(fā)生變化。代替前面電阻計(jì)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(xiàn)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(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少熱敏電阻的電阻。

結(jié)果，橋VOUT的輸出電壓將變?yōu)榉橇阒?。這意味著輸出電壓VOUT與溫度成正比。通過校準(zhǔn)電壓表，我們可以根據(jù)輸出電壓顯示溫度。

六、用于應(yīng)變測量的惠斯通電橋

惠斯通電橋最常用的應(yīng)用之一是應(yīng)變測量。應(yīng)變計(jì)是一種電阻隨壓力、力或應(yīng)變等機(jī)械因素成比例變化的設(shè)備。

通常，應(yīng)變片電阻的范圍是從30Ω到3000Ω。對于給定的應(yīng)變，電阻變化可能只是整個(gè)范圍的一小部分。因此，為了準(zhǔn)確測量電阻的分?jǐn)?shù)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(yīng)變計(jì)取代。

由于外力，應(yīng)變片的電阻會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電橋變得不平衡?？梢孕?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)變計(jì)被小心地安裝為稱為稱重傳感器的單個(gè)單元，它是一種將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。

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

如果應(yīng)變計(jì)被拉緊或壓縮，則電阻會增加或減少。因此，這會導(dǎo)致橋的不平衡。這會在電壓表上產(chǎn)生對應(yīng)于應(yīng)變變化的電壓指示。如果施加在應(yīng)變計(jì)上的應(yīng)變更大，則儀表端子之間的電壓差更大。如果應(yīng)變?yōu)榱?，則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)行精確測量的電阻測量。由于電阻的分?jǐn)?shù)測量，惠斯通電橋主要用于應(yīng)變計(jì)和溫度計(jì)測量。

七、惠斯通電橋的應(yīng)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(yùn)算放大器一起用于測量溫度、應(yīng)變、光等物理參數(shù)。

（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。