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惠斯通电桥电路和基本工作原理

摘要:北京Yabo下载介绍关于惠斯通电桥电路基本原理以及如何将惠斯通电桥与传感器配合使用以产生惠斯通电桥电路。

惠斯通电桥

惠斯通电桥的名称是四个电阻的组合,以给出零中心值

惠斯通电桥原理

该惠斯登电桥最初是由查尔斯惠斯通研究出一种测定未知电阻值和作为校准测量仪器,电压表,电流表,等,通过使用长的电阻滑线的的手段。

尽管今天数字万用表提供了最简单的测量电阻的方法。在惠斯登电桥仍然可以用来测量倒在毫欧范围的电阻非常低的值。

惠斯通电桥(或电阻桥)电路可用于多种应用,如今,借助现代运算放大器,我们可以使用惠斯通电桥电路将各种传感器和传感器连接到这些放大器电路。

惠斯通电桥电路无非就是两个简单的串联-并联排列的电阻,这些电阻串联在电源端子和地之间,平衡后在两个并联分支之间产生零电压差。惠斯通电桥电路具有两个输入端子和两个输出端子,该输出端子由四个以菱形排列形式配置的电阻组成,如图所示。这是惠斯通电桥绘制的典型方式。

惠斯通电桥

电桥原理图

平衡后,惠斯通电桥可以简单地分析为两个并联的串联弦。在有关串联电阻的教程中,我们看到串联电阻中的每个电阻都会由于IRms所定义的电流流过电阻而产生IR降或电压降。考虑下面的串联电路。

串联电阻电路图

串联电阻电路

由于两个电阻器串联,因此相同的电流(i)流经两个电阻器。因此流过串联的两个电阻器的电流被给出为:V / R ?

I = V÷R = 12V÷(10Ω+20Ω)= 0.4A

C点的电压,也就是下电阻R 2两端的压降,计算如下:

V R2  = I×R 2  = 0.4A×20Ω= 8

然后我们可以看到,电源电压V S在两个串联电阻之间按与它们的电阻成正比的方式分配,即V R1  = 4VV R2  = 8V。这就是分压的原理,产生通常称为分压器电路或分压器网络的电路。

现在,如果我们添加另一个与第一个并联使用相同电阻值的串联电阻电路,我们将得到以下电路。

串联并联电路

串联并联电阻电路

由于第二个串联电路的电阻值与第一个串联电路的电阻值相同,D点处的电压(也是电阻两端的电压降)在8伏时相对于零(电池负极)与R 4相同。电压是常见的,两个电阻网络是相同的。

但同样重要的是,C点与D点之间的电压差为零伏,因为两个点的值相同,均为8伏:C = D = 8伏,则电压差为:0

发生这种情况时,由于C点处的电压与D点处的电压具有相同的值,且两者之差为零,因此称并联桥网络的两端均处于平衡状态。

现在让我们考虑一下,如果将第二并联支路中的两个电阻R 3R 4的位置相对于R 1R 2颠倒,会发生什么情况。

反向电路

反向电阻电路

电阻R 3R 4反向时,相同的电流流经串联组合,并且D点处的电压也为电阻R 4两端的压降为:

V R4  = 0.4A×10Ω= 4

现在,在V R4两端跨接4伏特时,点CD之间的电压差将为4伏特,即:C = 8伏特,D = 4伏特。那么这次的差是:8 4 = 4

交换两个电阻器的结果是,并联网络的两端或“臂”不同,因为它们会产生不同的压降。当这种情况发生时,由于点C处的电压与点D处的电压不同,因此称并联网络不平衡。

然后我们可以看到,这两个并联臂ACBADB的电阻比导致0伏(平衡)和最大电源电压(不平衡)之间的电压差,这是惠斯通电桥电路的基本原理。

因此,我们可以看到惠斯通电桥电路可用于比较未知电阻R X与其他已知电阻值,例如R 1R 2具有固定值,并且R 3可以变化。如果我们在C点和D点之间连接了电压表,电流表或传统的检流计,然后改变电阻R 3直到电表读数为零,将导致两个臂平衡并且R X的值(用R 4代替)。如图所示。

惠斯通电桥电路

惠斯通电桥电路

惠斯通电桥电路

通过在惠斯通电桥的感测臂中用对应于R X的惠斯通电桥的感应臂中的已知或未知值的电阻代替上面的R 4,并调节相对的电阻器R 3以“平衡”桥网络,将导致零电压输出。然后我们可以看到在以下情况下发生了平衡:

惠斯通电桥比公式

惠斯通电桥比

得到未知电阻的值所需的惠斯登电桥方程,- [R X在平衡被给定为:

惠斯通电桥公式

惠斯通电桥方程

其中电阻R 1R 2是已知值或预设值。

惠斯通电桥实例1

建造了以下不平衡惠斯通电桥。计算点CD两端的输出电压以及平衡电桥电路所需的电阻R 4的值。

电桥举例

惠斯通电桥的例子

对于第一系列手臂,ACB

电桥计算

惠斯通电桥臂acb

对于第二系列,亚行

电桥公式

惠斯通电桥臂亚行

CD点之间的电压为:

电桥电压计算公式

惠斯通电桥电压

平衡电桥所需的电阻R 4的值为:

平衡电阻公式

平衡电阻

上面我们已经看到惠斯通电桥具有两个输入端子(AB)和两个输出端子(CD)。当电桥平衡时,输出端子之间的电压为0伏。但是,当电桥不平衡时,根据不平衡的方向,输出电压可以为正或负。

惠斯通电桥光探测器

平衡电桥电路发现了许多有用的电子应用,例如用于测量光强度,压力或应变的变化。惠斯通电桥电路中可以使用的电阻传感器的类型包括:光阻传感器(LDR),位置传感器(电位计),压阻传感器(应变仪)和温度传感器(热敏电阻)等。

惠斯通电桥应用有很多,可用于感测整个范围的机械和电气量,但是一种非常简单的惠斯通电桥应用是使用光致抗蚀剂来测量光。桥网络中的电阻之一被光敏电阻或LDR取代。

LDR,也称为硫化镉(Cds)光电管,是一种无源电阻式传感器,可将可见光水平的变化转换为电阻的变化,从而转换为电压的变化。光敏电阻器可用于监视和测量光强级别,或者光源是打开还是关闭。

典型的硫化镉(CdS)电池(例如,ORP12光敏电阻器)在暗或昏暗的光线下通常具有大约1兆欧(MΩ)的电阻,在100 Lux的光强度下(典型地是光线充足的房间)大约具有900Ω的电阻,在明亮的阳光下低至约30Ω。然后,随着光强度的增加,电阻减小。通过将光敏电阻器连接到上面的惠斯通电桥电路,我们可以监视和测量如图所示的任何亮度变化。

惠斯通电桥光探测器

惠斯通电桥光测器原理图

惠斯通电桥光探测器

如图所示,将LDR光电管连接到惠斯通电桥电路中,以产生一个光敏开关,当感测到的光水平高于或低于V R1确定的预设值时,该开关便会激活。在这个例子中V R1或者是22K47kΩ的电位器。

运算放大器连接为电压比较器,参考电压V D施加至同相引脚。在此示例中,由于R 3R 4都具有相同的10kΩ值,因此在点D处设置的参考电压将等于Vcc的一半。那是Vcc / 2

电位计V R1设置施加到反相输入的跳变点电压V C,并设置为所需的标称照明水平。当点C的电压小于点D的电压时,继电器“ ON

调整V R1可以设置C点的电压,以使电桥电路达到所需的光强度或强度。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镉器件。

请注意,仅通过在设计中移置LDRR 3位置,即可将该电路用作“光激活”开关电路或“暗激活”开关电路。

该惠斯登电桥具有比未知电阻与已知电阻比较其他电子电路有许多用途。当与运算放大器一起使用时,惠斯通电桥电路可用于测量和放大电阻R X的细微变化,例如,由于光强度的变化,如上所述。

但是电桥电路也适用于测量其他变化量的电阻变化,因此可以通过将上述光阻LDR光传感器替换为热敏电阻,压力传感器,应变仪和其他此类传感器,以及交换传感器的位置来实现。在LDRV R1,我们可以在其他各种惠斯登电桥应用中使用它们。

同样,在由电阻器R 1R 4形成的桥的四个臂(或分支)内可以使用一个以上的电阻传感器,以产生“全桥”,“半桥”或“四分之一桥”电路装置,从而提供惠斯通电桥的热补偿或自动平衡。

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