惠斯通桥|工作,例子,应用

在本教程中,我们将学习惠斯通桥。我们将看到惠斯通电桥的工作原理,一些示例电路和一些重要的应用。

介绍

在模拟电子学的世界里,我们会遇到各种各样的信号,有些是通过电阻的变化来测量的,有些是通过电感和电容的变化来测量的。

如果我们考虑电阻,大多数工业传感器如温度、应变、湿度、位移、液位等产生的电阻值的变化相当于各自的量的变化。因此,需要对每一个基于电阻的传感器进行信号调理。

例如,我们能想到的最简单的设备是光相关电阻异地恋.LDR顾名思义,是一种电阻随落在其上的光照量而变化的装置。

一般电阻测量分为三种类型:

    • 低电阻测量
    • 介质电阻测量
    • 高阻测量

如果电阻测量可能从几个微欧姆到毫欧姆,那么它被认为是低电阻测量。这种测量方法实际上是用于研究目的。如果测量范围从1欧姆到几百个KΩ一般称为中电阻测量。测量普通电阻、电位器、热敏电阻等都属于这一类。

非常高的电阻测量从几个兆欧姆到大于100兆欧姆。为求电阻的中值,有不同的方法,但大多采用惠斯通电桥法。

惠斯通桥是什么?

桥式网络或电路是最流行和最流行的电气工具之一,经常用于测量电路、换能器电路、开关电路和振荡器。

惠斯通电桥是最常见、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物理量,如温度、压力、应变等。

惠斯通电桥用于需要用传感器测量电阻的微小变化的场合。这是用来将传感器的电阻变化转换为电压变化的。该电桥与运算放大器的组合广泛应用于工业中各种传感器和传感器。

例如,热敏电阻的电阻随着温度的变化而变化。同样,应变计在受到压力、力或位移时,其电阻会发生变化。根据应用的类型,惠斯通电桥可以在平衡状态或不平衡状态下操作。

惠斯通电桥由四个电阻(R1, R2, R3.和R4),以菱形连接,直流电源跨越菱形的顶部和底部点(电路中的C和D),输出通过其他两个端点(电路中的a和B)。

惠斯登电桥电路

这个电桥是用来通过将未知电阻与已知电阻值进行比较来非常精确地找到未知电阻的。在这个电桥中,一个零或平衡的条件被用来寻找未知的电阻。

为了使电桥处于平衡状态,a点和B点的输出电压必须等于0。从上面的电路:

桥处于平衡状态:

VV = 0

为了简化上述电路的分析,我们将其重画如下:

惠斯登电桥的工作

对于平衡状态,电阻器上的电压R1和R2是相等的。如果V1R上的电压是多少1和V2R上的电压是多少2,那么:

V1= V2

同样,电阻之间的电压R3.(我们称它为V3.)和R4(我们称它为V4)也是相等的。所以,

V3.= V4

电压比值可表示为:

V1/ V3.= V2/ V4

根据欧姆定律,我们得到:

1R1/我3.R3.=我2R2/我4R4

自从我1=我3.和我2=我4,我们得到:

R1/ R3.= R2/ R4

从上面的方程中,如果我们知道三个电阻的值,就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

从重画的电路,如果V为输入电压,则A点电压为:

V(右3./ (R1+ R3.))

同理,B点的电压为:

V(右4/ (R2+ R4))

桥要平衡,V= 0。但是我们知道V= V一个- - - - - - VB

因此,在平衡桥条件下,

V一个= VB

由上式可知:

V(右3./ (R1+ R3.)) = V(右4/ (R2+ R4))

对上式进行简单运算后,可得:

R1/ R3.= R2/ R4

根据上面的方程,如果R1是一个未知电阻,其值可以由已知的R2, R3.和R4.一般来说,未知量称为RX在三个已知电阻中,有一个电阻(主要是R3.在上述电路中)通常是一个称为R的可变电阻V

使用平衡惠斯通电桥查找未知电阻

在上述电路中,我们假设R1是未知电阻。我们称它为RX.电阻R2和R4有一个固定的值。也就是说,比值R2/ R4也是固定的。现在,从上面的计算,为了创造一个平衡的条件,电阻的比率必须相等,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电阻(R3.)以达到上述条件。因此,R3.是可变电阻,我们叫它RV

但是我们如何检测平衡条件呢?这就是电流计(一种老式的电流计)可以使用的地方。把电流计放在A点和B点之间,就可以检测平衡状态。

RX放置在电路中,调整RV直到电流计指向0。在这一点,记下R的值V.用下面的公式,我们可以计算出未知电阻RX

RX= RV(右2/ R4

惠斯登电桥不平衡

如果V在上述电路中不等于0 (V≠0),则称惠斯通桥为不平衡惠斯通桥。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。

为了让这个行得通传感器必须是电阻型的,即当传感器被测量的量(温度、应变等)发生变化时,传感器的电阻会发生适当的变化。在前面的电阻计算例子中,我们可以将传感器连接起来,以代替未知的电阻。

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来测量温度。我们这里要用的换能器叫做热敏电阻,它是一个温度相关的电阻。根据热敏电阻的温度系数,温度的变化会增加或减少热敏电阻的电阻。

温度测量用惠斯通电桥

因此,桥的输出电压V将变成一个非零值。这意味着输出电压V和温度成正比。通过校准电压表,我们可以用输出电压来显示温度。

应变测量用惠斯通电桥

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。

应变片电阻的范围通常为30 Ω ~ 3000 Ω。对于一个给定的菌株,电阻变化可能只是整个变化范围的一小部分。因此,为了准确测量电阻的分数变化,使用了惠斯通桥配置。

下面的电路显示了惠斯通电桥,其中未知电阻被应变计替换。

应变测量用惠斯通电桥

由于外力的作用,应变片的电阻发生了变化,从而使电桥变得不平衡。可对输出电压进行校准,以显示应变变化。

应变仪和惠斯通电桥的一个流行配置是重量秤。在这种情况下,应变片被小心地安装成一个称为测压元件的单元,测压元件是一个将机械力转换成电信号的传感器。

通常,称重秤由四个测压元件组成,当外力作用时,两个应变片会膨胀或拉伸(张力型),当施加负载时,两个应变片会压缩(压缩型)。

温度测量用惠斯通电桥

如果应变片被拉紧或压缩,那么电阻就会增加或减少。因此,这就造成了桥架的不平衡。这在电压表上产生一个对应于应变变化的电压指示。如果施加在应变计上的应变较大,则仪表两端的电压差也较大。如果应变为零,则电桥平衡,仪表显示读数为零。

这是关于使用惠斯通电桥进行精确测量的电阻测量。由于电阻的分式测量,惠斯通电桥主要用于应变片和温度计的测量。

应用程序

  1. 惠斯通电桥用于精确测量极低电阻值。
  2. 惠斯通电桥配合运算放大器用于测量温度、应变、光等物理参数。
  3. 我们还可以使用惠斯通电桥上的变化量来测量电容、电感和阻抗。

结论

惠斯顿桥的初学者指南。你们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来计算未知电阻,以及如何使用不平衡惠斯通电桥来测量不同的物理量,如温度和应变。

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