惠斯顿电桥原理及其应用

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惠斯通电桥是一种可以精确测量电阻的仪器。电阻R1，R2，R3，R4叫做电桥的四个臂，G为检流计，用以检查它所在的支路有无电流。当G无电流通过时，称电桥达到平衡。平衡时，四个臂的阻值满足一个简单的关系，利用这一关系就可测量电阻。平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，(1)流过R1和R3的电流相同(记作I1)，流过R2和R4的电流相同(记作I2)。(2)B，D两点电位相等，即UB=UD。因而有 I1R1=I2R2;个阻值已知，便可求得第四个电阻。测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，电阻而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表分条件。电桥不平衡时，G的电流IG与R1，R2，R3，R4有关。利用这一关系也可根据IG及三个臂的电阻值求得第四个臂的阻值，因此不平衡电桥原则上也可测量电阻。


　 WD-1惠斯顿电桥见图1方框内 ，A C间接1米长的伊文电阻丝(R1+R2 )，做“ 比率 ”电阻用。电阻丝AC下面是1米(0.5米)直尺，AB间接未知电阻RX ，BC间接电阻箱RS ，D为滑动按键。 G方框外连接的是配套仪器, E为直流稳压电源，R为滑线变阻器，K 1为单刀开关， K2为保护开关阻。G为检流计。


　　基于惠斯顿电桥的压力传感器
　　许多压力传感器使用微机电系统(MEMS)技术，它们由4个采用惠斯顿电桥结构连接的压敏电阻组成。当这些传感器上没有压力时，桥中的所有电阻值都是相等的。当有外力施加于电桥时，两个相向电阻的阻值将增加，而另两个电阻的阻值将减小，而且增加和减小的阻值彼此相等。
　　遗憾的是，事情并非如此简单，因为传感器存在偏移和增益误差。偏移误差是指没有压力施加于传感器时存在输出;增益误差指传感器输出相对于施加于传感器外力的敏感程度。典型传感器一般规定激励电压为5V，具有20mV/V的标称满刻度输出。这意味着在激励电压为5V时，标称满刻度输出为：20 mV/V × 5 V = 100 mV.
　　偏移电压可能是2mV，或满刻度的2%;最小和最大满刻度输出电压可能是50mV和150mV，或标称满刻度的±50%。
　　假设两个电阻串联形成电阻串，由于是等值电阻，因此两电阻间的节点电压是电阻串电压的一半。如果一个电阻值增加1%，另一个电阻减小1%，那么两个电阻节点处的电压将改变1%。如果将两个电阻串进行并联，如图1所示，左边下方的电阻和右边上方的电阻阻值均减小1%，另外两个电阻增加1%，那么两个“中”点间的电压将从零差值变为改变2%。两个并行分支的这种配置就被称为惠斯顿桥。
　　


　　图1：受激励电压VEX和差分输出电压V驱动的惠斯顿桥。
　　如果不了解偏移以及传感器输出电压和压力之间的真实关系，我们就只能粗略估计施加于传感器上的压力大小。这意味着需要采样校准的方法来获得更好的精度。
　　幸运的是，给定传感器的偏移和满刻度误差随时间变化相当稳定，因此一旦传感器得到校准，在该传感器生命期内可能无需改变校准系数就能满足精度要求。当然，在每次上电时通常需要再次校准系统。

        基本信号调节电路由一个仪表放大器和一个模数转换器(ADC)组成。仪表放大器将来自传感器的小输出电压放大到适合ADC的电平，然后由ADC将放大后的传感器输出电压转换为数字式，再交给控制器或DSP处理(图2)。仪表放大器可以用来避免桥过载，而这种过载会改变传感器输出电压值。

　　


　　图2：基本压力传感器调节电路。
　　传感器的满刻度输出即最大输入，能够在放大器输入端看到。当传感器输出处于满刻度时，ADC输入应该接近其满刻度值，这个值通常就是ADC的参考电压VREF。放大器要求的增益大小为：
　　


　　其中VREF代表ADC的参考电压，“Sensor FS”是传感器的满刻度输出值。假设电阻完美匹配，那么仪表放大器的增益等于：