Мост Уитстона

Мост Уитстона и его работаВ мире аналоговой электроники мы часто сталкиваемся с различными сигналами, некоторые из них измеряются изменением сопротивления, а некоторые — изменением индуктивности и емкости.

Если мы будем рассматривать сопротивление, то большинство промышленных датчиков, таких как датчик температуры, деформации, влажности, смещения, уровня жидкости и т.д., производят изменение значения сопротивления для эквивалентного изменения соответствующей величины. Следовательно, существует потребность в преобразовании сигнала для каждого датчика, основанного на сопротивлении.

Например, самый простой компонент, который сразу может прийти на ум, — это светозависимый резистор или LDR. Как следует из названия, LDR — это компонент, сопротивление которого изменяется в зависимости от количества падающего на него света.

Как правило, измерение сопротивления делится на три типа:

  • Измерение низкого сопротивления
  • Измерение среднего сопротивления
  • Измерение высокого сопротивления

Если измерение сопротивления возможно от нескольких микроом до миллиом, то оно считается измерением низкого сопротивления. Это измерение, фактически, используется в исследовательских целях. Если измерение находится в диапазоне от 1 Ома до нескольких сотен кОм, обычно это измерение среднего сопротивления. К этой категории относится измерение обычных резисторов, потенциометров, термисторов и т.д.

И очень высокое сопротивление считается измерением от нескольких МегаОм до более чем 100 МегаОм. Для нахождения среднего значения сопротивления используются разные методы, но в основном используется мост Уитстона.

Что такое Мост Уитстона?

Мостовые схемы являются одним из самых популярных электрических инструментов, часто используемых в измерительных цепях, схемах преобразователей, схемах переключения, а также в генераторах.

Мост Уитстона — одна из самых распространенных и простых мостовых схем, которую можно использовать для очень точного измерения сопротивления. Но часто мост Уитстона используется с различными датчиками для измерения физических величин, таких как температура, давление, деформация и т.д.

Мост Уитстона используется в устройствах, где датчики должны измерять небольшие изменения сопротивления, и используется для преобразования изменения сопротивления в изменение напряжения преобразователя. Комбинация этого моста с операционным усилителем широко используется в промышленности для различных преобразователей и датчиков.

Например, сопротивление термистора изменяется, когда он подвергается изменению температуры. Точно так же тензорезистор, когда он подвергается давлению, силе или смещению, изменяет свое сопротивление. В зависимости от типа применения, мост Уитстона может работать либо в сбалансированном, либо в несбалансированном состоянии.

Читать также:  Что такое PLCC?

Мост Уитстона состоит из четырех резисторов (R 1 , R 2 , R 3 и R 4 ), которые соединены в форме ромба с источником питания постоянного тока, подключенным через верхнюю и нижнюю точки (C и D в схеме) ромб и выход берутся через два других конца (A и B в цепи).

Схема моста Уитстона

Этот мост используется для очень точного нахождения неизвестного сопротивления путем сравнения его с известным значением сопротивлений. В этом мосту для нахождения неизвестного сопротивления используется состояние Null (нулевой) или Balanced (сбалансированный).

Чтобы этот мост находился в сбалансированном состоянии, выходное напряжение в точках A и B должно быть равно 0. Из приведенной выше схемы:

Мост находится в сбалансированном состоянии, если:

VOUT = 0V

Для упрощения анализа вышеприведенной схемы перерисуем ее следующим образом:

Сбалансированное состояние

Теперь для сбалансированного состояния напряжение на резисторах R1 и R2 одинаково. Если V1 представляет собой напряжение на резисторе R1 , а V2 представляет собой напряжение на резисторе R2 , тогда:

V1 = V2

Точно так же равны и напряжения на резисторах R3 (назовем его V3 ) и R4 (назовем его V4 ):

 V3 = V4 

Отношения напряжений можно записать в виде:

V1 / V3 = V2 / V4

Из закона Ома получаем:

I1 R1 / I3 R3 = I2 R2 / I4 R4 

Поскольку I1 = I3 и I2 = I4 , получаем:

R1 / R3 = R2 / R4

Из приведенного выше уравнения, если мы знаем значения трех резисторов, мы можем легко вычислить сопротивление четвертого резистора.

Альтернативный способ расчета резисторов

Из перерисованной схемы, если V IN является входным напряжением, то напряжение в точке A равно:

VIN ( R3 / (R1 + R3))

Точно так же напряжение в точке B равно:

VIN ( R4 / (R2 + R4))

Для сбалансированного моста VOUT = 0. Но мы знаем, что  VOUT = VA B 

Итак, в состоянии сбалансированного моста

VA = VB

Используя приведенные выше уравнения, мы получаем:

VIN ( R3 / (R1 + R3)) = VIN ( R4 / (R2 + R4))

После простых манипуляций с приведенным выше уравнением мы получаем:

Читать также:  Что такое электронные отходы?

R1 / R3 = R2 / R4

Из приведенного выше уравнения, если R1 является неизвестным резистором, его значение может быть рассчитано по известным значениям R2 , R3 и R4 . Как правило, неизвестное значение обозначается как RX , а из трех известных сопротивлений один резистор (в основном R3 в приведенной выше схеме) обычно представляет собой переменный резистор, называемый RV .

Найдите неизвестное сопротивление с помощью сбалансированного моста Уитстона

Из приведенной выше схемы предположим, что R1 является неизвестным резистором. Итак, давайте назовем его RX . Резисторы R2 и R4 имеют фиксированное значение. Это означает, что соотношение R2 / R4 также является фиксированным. Теперь, исходя из приведенного выше расчета, для создания сбалансированного состояния, соотношение резисторов должно быть равным, т. е.

RX / R3 = R2 / R4

Поскольку отношение R2 / R4 фиксировано, мы можем легко настроить другой известный резистор (R3) для достижения вышеуказанного состояния. Отсюда важно, чтобы R3 был переменным резистором, который мы назовем RV .

Но как мы обнаруживаем сбалансированное состояние? Здесь можно использовать гальванометр (амперметр старой школы). Поместив гальванометр между точками A и B, мы можем определить состояние равновесия.

Поместив RX в цепь, отрегулируйте RV , пока гальванометр не укажет на 0. В этот момент запишите значение RV . Используя следующую формулу, мы можем вычислить неизвестный резистор RX .

RX = RV (R2 / R4)

Несбалансированный мост Уитстона

Если VOUT в приведенной выше схеме не равно 0 (VOUT ≠ 0), говорят, что мост Уитстона является несбалансированным мостом Уитстона. Обычно несбалансированный мост Уитстона часто используется для измерения различных физических величин, таких как давление, температура, деформация и т.д.

Чтобы это работало, преобразователь должен быть резистивного типа, т.е. сопротивление преобразователя изменяется соответствующим образом при изменении измеряемой им величины (температура, деформация и т.д.). Вместо неизвестного резистора, в предыдущем примере расчета сопротивления, мы можем подключить преобразователь.

Мост Уитстона для измерения температуры

Давайте теперь посмотрим, как мы можем измерить температуру, используя несбалансированный мост Уитстона. Преобразователь, который мы собираемся здесь использовать, называется термистором, который представляет собой резистор, зависящий от температуры. В зависимости от температурного коэффициента термистора изменения температуры будут либо увеличивать, либо уменьшать сопротивление термистора.

Читать также:  Применение конденсаторов

Измерение мостом температуры

В результате выходное напряжение моста VOUT станет отличным от нуля значением. Это означает, что выходное напряжение VOUT пропорционально температуре. Путем калибровки вольтметра мы можем отображать температуру с точки зрения выходного напряжения.

Мост Уитстона для измерения деформации

Одним из наиболее часто используемых применений моста Уитстона является измерение деформации. Тензодатчик — это компонент, электрическое сопротивление которого изменяется пропорционально механическим факторам, таким как давление, сила или деформация.

Обычно диапазон сопротивления тензорезистора составляет от 30 Ом до 3000 Ом. Для данной деформации изменение сопротивления может составлять лишь часть полного диапазона. Поэтому для точного измерения относительных изменений сопротивления используется конфигурация моста Уитстона.

На приведенной ниже схеме показан мост Уитстона, в котором неизвестный резистор заменен тензодатчиком.

Измерение мостом деформации

Под действием внешней силы изменяется сопротивление тензорезистора и в результате мост становится несбалансированным. Выходное напряжение можно откалибровать для отображения изменений деформации.

Одна из популярных конфигураций тензодатчиков и моста Уитстона — весы. При этом тензодатчики тщательно смонтированы как единое целое, которое представляет собой преобразователь, преобразующий механическую силу в электрический сигнал.

Обычно весы состоят из четырех тензодатчиков, где два тензодатчика расширяются или растягиваются (на растяжение) при воздействии внешней силы, а два тензорезистора сжимаются (на сжатие) при приложении нагрузки.

Преобразователь моста

Если тензорезистор растягивается или сжимается, сопротивление может увеличиваться или уменьшаться. Следовательно, это вызывает разбалансировку моста. Это дает индикацию напряжения на вольтметре, соответствующую изменению напряжения. Если деформация, приложенная к тензодатчику, больше, то разность напряжений на клеммах тензорезистора больше. Если деформация равна нулю, то мост уравновешивается, и счетчик показывает нулевое значение.

Речь идет об измерении сопротивления с использованием моста Уитстона для точного измерения. Из-за дробного измерения сопротивления мосты Уитстона в основном используются в измерениях тензодатчиков и термометров.

Вывод

Из данной статьи вы узнали, что такое схема моста Уитстона, что означает сбалансированный мост, как рассчитать неизвестное сопротивление с помощью моста Уитстона, а также как можно использовать несбалансированный мост Уитстона для измерения различных физических величин, таких как температура и деформация.

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий