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      惠斯通電橋電路和基本工作原理

      摘要:北京銘翰亞誠介紹關于惠斯通電橋電路基本原理以及如何將惠斯通電橋與傳感器配合使用以產生惠斯通電橋電路。

      惠斯通電橋

      惠斯通電橋的名稱是四個電阻的組合,以給出零中心值

      惠斯通電橋原理

      該惠斯登電橋最初是由查爾斯惠斯通研究出一種測定未知電阻值和作為校準測量儀器,電壓表,電流表,等,通過使用長的電阻滑線的的手段。

      盡管今天數字萬用表提供了最簡單的測量電阻的方法。在惠斯登電橋仍然可以用來測量倒在毫歐范圍的電阻非常低的值。

      惠斯通電橋(或電阻橋)電路可用于多種應用,如今,借助現代運算放大器,我們可以使用惠斯通電橋電路將各種傳感器和傳感器連接到這些放大器電路。

      惠斯通電橋電路無非就是兩個簡單的串聯-并聯排列的電阻,這些電阻串聯在電源端子和地之間,平衡后在兩個并聯分支之間產生零電壓差?;菟雇姌螂娐肪哂袃蓚€輸入端子和兩個輸出端子,該輸出端子由四個以菱形排列形式配置的電阻組成,如圖所示。這是惠斯通電橋繪制的典型方式。

      惠斯通電橋

      電橋原理圖

      平衡后,惠斯通電橋可以簡單地分析為兩個并聯的串聯弦。在有關串聯電阻的教程中,我們看到串聯電阻中的每個電阻都會由于IRms所定義的電流流過電阻而產生IR降或電壓降??紤]下面的串聯電路。

      串聯電阻電路圖

      串聯電阻電路

      由于兩個電阻器串聯,因此相同的電流(i)流經兩個電阻器。因此流過串聯的兩個電阻器的電流被給出為:V / R ?。

      I = V÷R = 12V÷(10Ω+20Ω)= 0.4A

      C點的電壓,也就是下電阻R 2兩端的壓降,計算如下:

      V R2  = I×R 2  = 0.4A×20Ω= 8

      然后我們可以看到,電源電壓V S在兩個串聯電阻之間按與它們的電阻成正比的方式分配,即V R1  = 4VV R2  = 8V。這就是分壓的原理,產生通常稱為分壓器電路或分壓器網絡的電路。

      現在,如果我們添加另一個與第一個并聯使用相同電阻值的串聯電阻電路,我們將得到以下電路。

      串聯并聯電路

      串聯并聯電阻電路

      由于第二個串聯電路的電阻值與第一個串聯電路的電阻值相同,D點處的電壓(也是電阻兩端的電壓降)在8伏時相對于零(電池負極)與R 4相同。電壓是常見的,兩個電阻網絡是相同的。

      但同樣重要的是,C點與D點之間的電壓差為零伏,因為兩個點的值相同,均為8伏:C = D = 8伏,則電壓差為:0

      發生這種情況時,由于C點處的電壓與D點處的電壓具有相同的值,且兩者之差為零,因此稱并聯橋網絡的兩端均處于平衡狀態。

      現在讓我們考慮一下,如果將第二并聯支路中的兩個電阻R 3R 4的位置相對于R 1R 2顛倒,會發生什么情況。

      反向電路

      反向電阻電路

      電阻R 3R 4反向時,相同的電流流經串聯組合,并且D點處的電壓也為電阻R 4兩端的壓降為:

      V R4  = 0.4A×10Ω= 4

      現在,在V R4兩端跨接4伏特時,點CD之間的電壓差將為4伏特,即:C = 8伏特,D = 4伏特。那么這次的差是:8 4 = 4

      交換兩個電阻器的結果是,并聯網絡的兩端或“臂”不同,因為它們會產生不同的壓降。當這種情況發生時,由于點C處的電壓與點D處的電壓不同,因此稱并聯網絡不平衡。

      然后我們可以看到,這兩個并聯臂ACBADB的電阻比導致0伏(平衡)和最大電源電壓(不平衡)之間的電壓差,這是惠斯通電橋電路的基本原理。

      因此,我們可以看到惠斯通電橋電路可用于比較未知電阻R X與其他已知電阻值,例如R 1R 2具有固定值,并且R 3可以變化。如果我們在C點和D點之間連接了電壓表,電流表或傳統的檢流計,然后改變電阻R 3直到電表讀數為零,將導致兩個臂平衡并且R X的值(用R 4代替)。如圖所示。

      惠斯通電橋電路

      惠斯通電橋電路

      惠斯通電橋電路

      通過在惠斯通電橋的感測臂中用對應于R X的惠斯通電橋的感應臂中的已知或未知值的電阻代替上面的R 4,并調節相對的電阻器R 3以“平衡”橋網絡,將導致零電壓輸出。然后我們可以看到在以下情況下發生了平衡:

      惠斯通電橋比公式

      惠斯通電橋比

      得到未知電阻的值所需的惠斯登電橋方程,- [R X在平衡被給定為:

      惠斯通電橋公式

      惠斯通電橋方程

      其中電阻R 1R 2是已知值或預設值。

      惠斯通電橋實例1

      建造了以下不平衡惠斯通電橋。計算點CD兩端的輸出電壓以及平衡電橋電路所需的電阻R 4的值。

      電橋舉例

      惠斯通電橋的例子

      對于第一系列手臂,ACB

      電橋計算

      惠斯通電橋臂acb

      對于第二系列,亞行

      電橋公式

      惠斯通電橋臂亞行

      CD點之間的電壓為:

      電橋電壓計算公式

      惠斯通電橋電壓

      平衡電橋所需的電阻R 4的值為:

      平衡電阻公式

      平衡電阻

      上面我們已經看到惠斯通電橋具有兩個輸入端子(AB)和兩個輸出端子(CD)。當電橋平衡時,輸出端子之間的電壓為0伏。但是,當電橋不平衡時,根據不平衡的方向,輸出電壓可以為正或負。

      惠斯通電橋光探測器

      平衡電橋電路發現了許多有用的電子應用,例如用于測量光強度,壓力或應變的變化?;菟雇姌螂娐分锌梢允褂玫碾娮鑲鞲衅鞯念愋桶ǎ汗庾鑲鞲衅鳎?/span>LDR),位置傳感器(電位計),壓阻傳感器(應變儀)和溫度傳感器(熱敏電阻)等。

      惠斯通電橋應用有很多,可用于感測整個范圍的機械和電氣量,但是一種非常簡單的惠斯通電橋應用是使用光致抗蝕劑來測量光。橋網絡中的電阻之一被光敏電阻或LDR取代。

      LDR,也稱為硫化鎘(Cds)光電管,是一種無源電阻式傳感器,可將可見光水平的變化轉換為電阻的變化,從而轉換為電壓的變化。光敏電阻器可用于監視和測量光強級別,或者光源是打開還是關閉。

      典型的硫化鎘(CdS)電池(例如,ORP12光敏電阻器)在暗或昏暗的光線下通常具有大約1兆歐(MΩ)的電阻,在100 Lux的光強度下(典型地是光線充足的房間)大約具有900Ω的電阻,在明亮的陽光下低至約30Ω。然后,隨著光強度的增加,電阻減小。通過將光敏電阻器連接到上面的惠斯通電橋電路,我們可以監視和測量如圖所示的任何亮度變化。

      惠斯通電橋光探測器

      惠斯通電橋光測器原理圖

      惠斯通電橋光探測器

      如圖所示,將LDR光電管連接到惠斯通電橋電路中,以產生一個光敏開關,當感測到的光水平高于或低于V R1確定的預設值時,該開關便會激活。在這個例子中V R1或者是22K47kΩ的電位器。

      運算放大器連接為電壓比較器,參考電壓V D施加至同相引腳。在此示例中,由于R 3R 4都具有相同的10kΩ值,因此在點D處設置的參考電壓將等于Vcc的一半。那是Vcc / 2。

      電位計V R1設置施加到反相輸入的跳變點電壓V C,并設置為所需的標稱照明水平。當點C的電壓小于點D的電壓時,繼電器“ ON 。

      調整V R1可以設置C點的電壓,以使電橋電路達到所需的光強度或強度。LDR可以是在低照度下具有高阻抗而在高照度下具有低阻抗的任何硫化鎘器件。

      請注意,僅通過在設計中移置LDRR 3位置,即可將該電路用作“光激活”開關電路或“暗激活”開關電路。

      該惠斯登電橋具有比未知電阻與已知電阻比較其他電子電路有許多用途。當與運算放大器一起使用時,惠斯通電橋電路可用于測量和放大電阻R X的細微變化,例如,由于光強度的變化,如上所述。

      但是電橋電路也適用于測量其他變化量的電阻變化,因此可以通過將上述光阻LDR光傳感器替換為熱敏電阻,壓力傳感器,應變儀和其他此類傳感器,以及交換傳感器的位置來實現。在LDRV R1,我們可以在其他各種惠斯登電橋應用中使用它們。

      同樣,在由電阻器R 1R 4形成的橋的四個臂(或分支)內可以使用一個以上的電阻傳感器,以產生“全橋”,“半橋”或“四分之一橋”電路裝置,從而提供惠斯通電橋的熱補償或自動平衡。

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