一文详解惠斯通电桥工作原理

在模拟电子世界中，我们会遇到各种信号，其中一些是通过电阻变化来测量的，而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，大多数工业传感器，如温度、应变、湿度、位移、液位等，都会产生相应数量的等效变化的电阻值变化。因此，需要为每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敏电阻器或LDR。顾名思义，LDR是一种常见的电子元器件，其电阻会根据落在其上的光量而变化。

一般来说，电阻测量分为三种：

（1）低电阻测量。

（2）中等电阻测量。

（3）高阻测量。

如果电阻测量可能从几微欧到毫欧，那么它被认为是低电阻测量。这种测量实际上用于研究目的。如果测量从1欧姆到几百KΩ，则通常称为中等电阻测量。普通电阻器、电位器、热敏电阻等的测量属于这一类。

非常高的电阻测量被认为是从几兆欧到大于100兆欧。为了找到电阻的中间值，使用了不同的方法，但主要使用惠斯通电桥。

一、什么是惠斯通电桥？

桥接网络或电路是最流行和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。

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。但通常惠斯通电桥与传感器一起使用来测量物理量，如温度、压力、应变等。

惠斯通电桥用于在传感器中测量电阻的微小变化的应用。这用于将电阻的变化转换为换能器的电压变化。该电桥与运算放大器的组合在工业中广泛用于各种传感器和传感器。

例如，热敏电阻的电阻在温度变化时会发生变化。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条件或非平衡条件下运行。

惠斯通电桥由四个电阻器（R1、R2、R3和R4）组成，它们以菱形连接，直流电源连接在电路的顶部和底部点（电路中的C和D）之间。钻石和输出跨越其他两端（电路中的A和B）。

该电桥用于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。在此桥中，使用Null或Balanced条件来查找未知电阻。

为了使该桥处于平衡状态，A点和B点的输出电压必须等于0。从上述电路中：

在以下情况下，桥梁处于平衡状态：

VOUT=0V

为简化上述电路的分析，我们重新绘制如下：

现在，对于平衡条件，电阻器R1和R2两端的电压相等。如果V1是R1两端的电压，V2是R2两端的电压，则：

V1=V2

类似地，电阻器R3（让我们称其为V3）和R4（让我们称其为V4）两端的电压也相等。所以，

V3=V4

电压比可以写成：

V1/V3=V2/V4

根据欧姆定律，我们得到：

I1R1/I3R3=I2R2/I4R4

由于I1=I3和I2=I4，我们得到：

R1/R3=R2/R4

从上面的等式，如果我们知道三个电阻的值，我们就可以很容易地计算出第四个电阻的电阻。

二、计算电阻的替代方法

从重新绘制的电路中，如果VIN为输入电压，则A点电压为：

VIN（R3/（R1+R3））

同样，B点的电压为：

VIN（R4/（R2+R4））

对于要平衡的电桥，VOUT=0。但我们知道VOUT=VA–VB。

所以，在平衡桥条件下，

VA=VB

使用上面的方程，我们得到：

VIN（R3/（R1+R3））=VIN（R4/（R2+R4））

对上述等式进行简单操作后，我们得到：

R1/R3=R2/R4

从上面的等式，如果R1是一个未知的电阻器，它的值可以从R2、R3和R4的已知值计算出来。通常，未知值称为RX并且在三个已知电阻中，一个电阻（在上述电路中主要是R3）通常是称为RV的可变电阻。

三、使用平衡惠斯通电桥查找未知电阻

在上面的电路中，让我们假设R1是一个未知电阻。所以，让我们称它为RX。电阻器R2和R4具有固定值。这意味着，比率R2/R4也是固定的。现在，根据上面的计算，要创建平衡条件，电阻的比率必须相等，即，

RX/R3=R2/R4

由于比率R2/R4是固定的，我们可以很容易地调整另一个已知的电阻器（R3）来实现上述条件。因此，重要的是R3是可变电阻器，我们称之为RV。

但是我们如何检测平衡条件呢？这是可以使用电流计（老式电流表）的地方。通过将电流计放在A点和B点之间，我们可以检测到平衡条件。

将RX置于电路中，调整RV直到电流计指向0。此时，记下RV的值。通过使用以下公式，我们可以计算未知电阻RX。

RX=RV（R2/R4）

四、不平衡惠斯通电桥

如果上述电路中的VOUT不等于0（VOUT≠0），则称惠斯通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。

为此，传感器必须是电阻型的，即传感器的电阻在其测量的量（温度、应变等）发生变化时相应地发生变化。代替前面电阻计算示例中的未知电阻，我们可以连接传感器。

五、用于温度测量的惠斯通电桥

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称为热敏电阻，它是一种温度相关的电阻器。根据热敏电阻的温度系数，温度的变化将增加或减少热敏电阻的电阻。

结果，桥VOUT的输出电压将变为非零值。这意味着输出电压VOUT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。

六、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设备。

通常，应变片电阻的范围是从30Ω到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，为了准确测量电阻的分数变化，使用惠斯通电桥配置。

下面的电路显示了惠斯通电桥，其中未知电阻被应变计取代。

由于外力，应变片的电阻会发生变化，从而导致电桥变得不平衡。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体重秤。在这种情况下，应变计被小心地安装为称为称重传感器的单个单元，它是一种将机械力转换为电信号的传感器。

通常，体重秤由四个称重传感器组成，其中两个应变片在外力作用时膨胀或拉伸（拉伸型），两个应变片在施加载荷时压缩（压缩型）。

如果应变计被拉紧或压缩，则电阻会增加或减少。因此，这会导致桥的不平衡。这会在电压表上产生对应于应变变化的电压指示。如果施加在应变计上的应变更大，则仪表端子之间的电压差更大。如果应变为零，则电桥平衡并且仪表显示零读数。

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。

七、惠斯通电桥的应用

（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）我们还可以使用惠斯通电桥的变化来测量电容、电感和阻抗的量。