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惠斯通電橋| 工作，示例，應(yīng)用
惠斯通電橋| 工作，示例，應(yīng)用
在模擬電子世界中，我們遇到了各種信號(hào)，其中一些是通過電阻的變化來測量的，而另一些是通過電感和電容的變化來測量的。
如果考慮電阻，則大多數(shù)工業(yè)傳感器（例如溫度，應(yīng)變，濕度，位移，液位等）都會(huì)在相應(yīng)數(shù)量的等效變化下產(chǎn)生電阻值的變化。因此，需要對(duì)每個(gè)基于電阻的傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。
例如，我們能想到的最簡單的器件是光敏電阻或LDR。顧名思義，LDR是一種設(shè)備，其電阻會(huì)根據(jù)其上照射的光量而變化。
通常，電阻測量分為三種類型：
低電阻測量
中電阻測量
高電阻測量
如果電阻測量值可能在幾微歐姆到幾歐姆之間，則認(rèn)為它是低電阻測量值。該測量實(shí)際上用于研究目的。如果測量范圍是從1歐姆到幾百KΩ，則通常稱為中電阻測量。普通電阻器，電位器，熱敏電阻等的測量屬于此類別。
從幾兆歐姆到超過100兆歐姆，都可以考慮非常高的電阻測量。為了找到電阻的中間值，使用了不同的方法，但是大多數(shù)使用了惠斯通電橋。
什么是惠斯通電橋？
橋接網(wǎng)絡(luò)或電路是最流行的電子工具之一，通常用于測量電路，換能器電路，開關(guān)電路以及振蕩器中。
惠斯通電橋是最常見，最簡單的橋網(wǎng)絡(luò)/電路之一，可用于非常精確地測量電阻。但惠斯通電橋通常與換能器一起使用，以測量諸如溫度，壓力，應(yīng)變等物理量。
惠斯通電橋用于需要在傳感器中測量電阻微小變化的應(yīng)用中。這用于將電阻的變化轉(zhuǎn)換為換能器的電壓的變化。該橋與運(yùn)算放大器的組合已廣泛用于各種換能器和傳感器的工業(yè)中。
例如，熱敏電阻的電阻隨著溫度的變化而變化。同樣，應(yīng)變計(jì)在承受壓力，力或位移時(shí)，其阻力也會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)應(yīng)用類型的不同，惠斯通電橋可以在平衡狀態(tài)或非平衡狀態(tài)下運(yùn)行。
惠斯通電橋由四個(gè)電阻（R 1，R 2，R 3和R 4）組成，這些電阻以菱形連接，直流電源跨接在電阻的頂部和底部（電路中的C和D）。菱形，輸出穿過其他兩端（電路中的A和B）。
通過將該橋與已知電阻值進(jìn)行比較，可以非常精確地找到未知電阻。在該橋中，使用“空”或“平衡”條件來查找未知電阻。
為了使該電橋處于平衡狀態(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，網(wǎng)橋處于平衡狀態(tài)：
V OUT = 0 V
為了簡化對(duì)以上電路的分析，讓我們重畫如下：
現(xiàn)在，對(duì)于平衡狀態(tài)，電阻器R 1和R 2兩端的電壓相等。如果V 1是R 1兩端的電壓，而V 2是R 2兩端的電壓，則：
V 1 = V 2
類似地，電阻器R 3（我們稱其為V 3）和R 4（我們稱其為V 4）兩端的電壓也相等。所以，
V 3 = V 4
電壓比可以寫成：
V 1 / V 3 = V 2 / V 4
根據(jù)歐姆定律，我們得到：
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，我們得到：
R 1 / R 3 = R 2 / R 4
根據(jù)上面的公式，如果我們知道三個(gè)電阻的值，則可以輕松計(jì)算出第四個(gè)電阻的電阻。
計(jì)算電阻的另一種方法
在重畫電路中，如果V IN為輸入電壓，則點(diǎn)A的電壓為：
V IN（R 3 /（R 1 + R 3））
同樣，B點(diǎn)的電壓為：
V IN（R 4 /（R 2 + R 4））
對(duì)于要平衡橋，V OUT = 0。但我們知道， V OUT = V一- V乙 。
因此，在平衡橋條件下，
V A = V B
使用上面的方程式，我們得到：
V IN（R 3 /（R 1 + R 3））= V IN（R 4 /（R 2 + R 4））
通過簡單地操作上述方程式，我們得到：
R 1 / R 3 = R 2 / R 4
根據(jù)上式，如果R 1是未知電阻，則可以根據(jù)R 2，R 3和R 4的已知值來計(jì)算其值。通常，未知的值被稱為為R X和三個(gè)已知的電阻，一個(gè)電阻器（主要是- [R 3在上面的電路）通常為稱為為R的可變電阻V。
使用平衡的惠斯通電橋查找未知電阻
在上面的電路中，讓我們假設(shè)R 1是一個(gè)未知電阻。所以，讓我們把它叫做[R X。電阻器R 2和R 4具有固定值。也就是說，比率R 2 / R 4也固定。現(xiàn)在，根據(jù)上面的計(jì)算，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)平衡條件，電阻器的比率必須相等，即
R X / R 3 = R 2 / R 4
由于比率R 2 / R 4是固定的，因此我們可以輕松地調(diào)節(jié)另一個(gè)已知的電阻器（R 3）以實(shí)現(xiàn)上述條件。因此，重要的是在于R 3是可變電阻器，我們稱之為- [R V。
但是，我們?nèi)绾螜z測平衡狀態(tài)？在這里可以使用檢流計(jì)（舊式電流表）。通過將檢流計(jì)放置在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間，我們可以檢測到平衡狀態(tài)。
將R X放入電路中后，調(diào)整R V，直到檢流計(jì)指向0。此時(shí)，記下R V的值。通過使用下面的公式，我們可以計(jì)算未知電阻器R X。
R X = R V（R 2 / R 4）
不平衡惠斯通電橋
如果上述電路中的V OUT不等于0（V OUT ≠0），則惠斯通電橋被稱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，例如壓力，溫度，應(yīng)變等。
為此，換能器必須為電阻型，即，當(dāng)換能器的測量量（溫度，應(yīng)變等）變化時(shí)，換能器的電阻會(huì)適當(dāng)變化。在前面的電阻計(jì)算示例中，可以代替未知電阻，我們可以連接傳感器。
惠斯通電橋用于溫度測量
現(xiàn)在讓我們看看如何使用不平衡的惠斯通電橋來測量溫度。我們將在這里使用的換能器稱為熱敏電阻，它是一個(gè)與溫度有關(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小熱敏電阻的電阻。
結(jié)果，電橋V OUT的輸出電壓將變?yōu)榉橇阒怠＿@意味著輸出電壓V OUT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。
惠斯通電橋應(yīng)變測量
惠斯通電橋最常用的應(yīng)用之一是應(yīng)變測量。應(yīng)變儀是一種其電阻與機(jī)械因素（例如壓力，力或應(yīng)變）成比例變化的設(shè)備。
通常，應(yīng)變儀電阻的范圍是30Ω至3000Ω。對(duì)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，為了精確地測量電阻的分?jǐn)?shù)變化，使用了惠斯通電橋配置。
下面的電路顯示了惠斯通電橋，其中未知電阻被應(yīng)變儀取代。
由于外力，應(yīng)變儀的電阻改變，結(jié)果，電橋變得不平衡。可以校準(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)變儀作為一個(gè)稱為稱重傳感器的單元小心地安裝，該單元是將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器。
通常，體重秤由四個(gè)稱重傳感器組成，當(dāng)外力作用時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變儀會(huì)膨脹或拉伸（拉伸型），放置載荷時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變儀會(huì)壓縮（壓縮型）。
如果應(yīng)變儀是張緊的或壓縮的，則電阻會(huì)增加或減小。因此，這導(dǎo)致橋的不平衡。這會(huì)在電壓表上產(chǎn)生與應(yīng)變變化相對(duì)應(yīng)的電壓指示。如果施加在應(yīng)變儀上的應(yīng)變更大，則儀表兩端的電壓差會(huì)更大。如果應(yīng)變?yōu)榱悖瑒t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，惠斯通電橋通常用于應(yīng)變儀和溫度計(jì)的測量。
應(yīng)用領(lǐng)域
惠斯通電橋用于精確測量非常低的電阻值。
惠斯通電橋與運(yùn)算放大器一起用于測量物理參數(shù)，例如溫度，應(yīng)變，光等。
我們還可以使用惠斯通電橋上的變化來測量電容，電感和阻抗的數(shù)量。