惠斯通电桥|工作、示例、应用

在本教程中,我们将学习惠斯通大桥。我们将了解惠斯通电桥的工作原理、一些示例电路和一些重要应用。

介绍

在模拟电子学的世界里,我们遇到了各种各样的信号,其中一些是通过电阻的变化来测量的,另一些是通过电感和电容的变化来测量的。

如果我们考虑电阻,大多数的工业传感器如温度、应变、湿度、位移、液位等会产生电阻值的变化,以使相应量的等效变化。因此,需要对每一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设备是光相关电阻器或LDR顾名思义,LDR是一种装置,其电阻随照射在其上的光线量而变化。

通常,电阻测量分为三种类型:

    • 低电阻测量
    • 介质电阻测量
    • 高电阻测量

如果电阻测量值可能在几微欧姆到几毫欧姆之间,则被视为低电阻测量值。该测量值实际上用于研究目的。如果电阻测量值在1欧姆到几百K欧姆之间,则通常被称为中等电阻测量值。正常电阻、电位仪的测量rs、热敏电阻等属于这一类。

从几兆欧姆到大于100兆欧姆,电阻测量值非常高。为了找到电阻的中间值,使用了不同的方法,但大多使用惠斯通电桥。

什么是惠斯通桥?

桥接网络或电路是最流行的电气工具之一,通常用于测量电路、传感器电路、开关电路以及振荡器中。

惠斯通电桥是最常见和最简单的电桥网络/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传感器一起用于测量温度、压力、应变等物理量。

惠斯通电桥用于在传感器中测量电阻微小变化的应用中。这用于将电阻变化转换为传感器电压变化。这种电桥与运算放大器的结合在工业上广泛用于各种传感器和传感器。

例如,当热敏电阻受到温度变化时,其电阻发生变化。同样,应变计在受到压力、力或位移时,其电阻也会发生变化。根据应用类型,惠斯通电桥可在平衡状态或不平衡状态下运行。

惠斯通电桥由四个电阻器(R)组成1.R2.R3.和R4.)以菱形连接,直流电源穿过菱形的顶部和底部点(电路中的C和D),输出穿过其他两端(电路中的a和B)。

惠斯通电桥电路

该电桥用于通过将未知电阻与已知电阻值进行比较,非常精确地找到未知电阻。在该电桥中,使用零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:

在下列情况下,桥梁处于平衡状态:

v出来=0伏

为了简化上述电路的分析,我们将其重新绘制如下:

惠斯通电桥工程

现在,在平衡条件下,电阻R两端的电压1.和R2.是相等的1.是R两端的电压1.及V2.是R两端的电压2.,然后:

v1.=V2.

同样,电阻R上的电压3.(我们称之为V3.)和R4.(我们称之为V4.)他们也是平等的。所以

v3.=V4.

电压比可以写为:

v1./五3.=V2./五4.

根据欧姆定律,我们得到:

1.R1./我3.R3.=我2.R2./我4.R4.

自从我1.=我3.而我2.=我4.,我们得到:

R1./R3.=R2./R4.

从上面的方程式中,如果我们知道三个电阻的值,我们可以很容易地计算出第四个电阻的电阻。

计算电阻的另一种方法

从重新绘制的电路,如果V在里面是输入电压,则A点的电压为:

v在里面(R)3./(R)1.+R3.))

同样,点B处的电压为:

v在里面(R)4./(R)2.+R4.))

对于要平衡的桥,V出来= 0. 但我们知道这一点v出来=VA.–VB.

所以,在平衡桥条件下,

vA.=VB

利用上述方程,我们得到:

v在里面(R)3./(R)1.+R3.))=V在里面(R)4./(R)2.+R4.))

对上述方程进行简单处理后,我们得到:

R1./R3.=R2./R4.

根据上述方程式,如果R1.是一个未知的电阻,其值可以从已知的R值计算出来2.R3.和R4..通常,未知值称为RX在三个已知电阻中,一个电阻(主要是R3.在上述电路中)通常是一个称为R的可变电阻器v.

使用平衡惠斯通电桥查找未知电阻

在上面的电路中,我们假设R1.是一个未知的电阻。所以,让我们称之为RX.电阻R2.和R4.有一个固定的值。也就是说,比率R2./R4.这也是固定的。现在,根据上述计算,要创建平衡条件,电阻器的比率必须相等,即。,

RX/R3.=R2./R4.

因为比率R2./R4.是固定的,我们可以很容易地调整其他已知的电阻(R3.)达到上述条件。因此,R3.是一个可变电阻,我们称之为Rv.

但是我们如何检测平衡状态呢?这里可以使用电流计(老式安培计)。通过在A点和B点之间放置电流计,我们可以检测到平衡状态。

带RX放置在回路中,调整Rv直到电流计指向0。此时,记下R的值v. 通过使用以下公式,我们可以计算未知电阻RX.

RX=Rv(R)2./R4.)

不平衡惠斯通电桥

如果V出来在上述电路中,电压不等于0(V出来≠ 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,如压力、温度、应变等。

为了让这一切顺利进行传感器必须为电阻型,即当传感器测量的量(温度、应变等)发生变化时,传感器的电阻会相应变化。在前面的电阻计算示例中,我们可以连接传感器来代替未知电阻。

温度测量用惠斯通电桥

现在让我们看看如何使用不平衡惠斯通电桥测量温度。我们将在这里使用的传感器被称为热敏电阻,它是一个温度相关的电阻。根据热敏电阻的温度系数,温度变化将增加或减少热敏电阻的电阻。

温度测量用惠斯通电桥

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

用于应变测量的惠斯通电桥

惠斯通电桥最常用的应用之一是应变测量。应变计是一种电阻随压力、力或应变等机械因素成比例变化的装置。

通常,应变片电阻的范围为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,为了精确测量电阻的分数变化,使用惠斯通电桥配置。

下面的电路显示了一个惠斯通电桥,其中用应变计替换了未知电阻器。

用于应变测量的惠斯通电桥

由于外力的作用,应变计的电阻发生变化,导致电桥不平衡。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重量秤。在这种情况下,应力计作为称为称重传感器的单个单元小心安装,称重传感器是一种将机械力转换为电信号的传感器。

通常,重量秤由四个称重传感器组成,其中两个应变计在外力作用下膨胀或拉伸(张力型),两个应变计在加载时压缩(压缩型)。

温度测量用惠斯通电桥

如果应变计被拉紧或压缩,则电阻会增大或减小。因此,这会导致电桥不平衡。这会在电压表上产生与应变变化相对应的电压指示。如果施加在应变计上的应变越大,则仪表端子之间的电压差越大。如果应变为零,然后电桥平衡,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,惠斯通电桥主要用于应变计和温度计测量。

应用

  1. 惠斯通电桥用于精确测量非常低的电阻值。
  2. 惠斯通电桥与运算放大器一起用于测量温度、应变、光等物理参数。
  3. 我们还可以利用惠斯通电桥上的变化来测量电容、电感和阻抗。

结论

惠斯通桥初学者指南。您学习了什么是惠斯通电桥电路,平衡电桥的含义是什么,如何使用惠斯通电桥计算未知电阻,以及如何使用不平衡惠斯通电桥测量不同的物理量,如温度和应变。

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