惠斯頓電橋原理及其應用

惠斯通電橋是一種可以精確測量電阻的儀器。電阻R1，R2，R3，R4叫做電橋的四個臂，G為檢流計，用以檢查它所在的支路有無電流。當G無電流通過時，稱電橋達到平衡。平衡時，四個臂的阻值滿足一個簡單的關(guān)系，利用這一關(guān)系就可測量電阻。平衡時，檢流計所在支路電流為零，則有，(1)流過R1和R3的電流相同(記作I1)，流過R2和R4的電流相同(記作I2)。(2)B，D兩點電位相等，即UB=UD。因而有 I1R1=I2R2;個阻值已知，便可求得第四個電阻。測量時，選擇適當?shù)碾娮枳鳛镽1和R2，用一個可變電阻作為R3，令被測電阻充當R4，調(diào)節(jié)R3使電橋平衡，電阻而且可利用高靈敏度的檢流計來測零，故用電橋測電阻比用歐姆表分條件。電橋不平衡時，G的電流IG與R1，R2，R3，R4有關(guān)。利用這一關(guān)系也可根據(jù)IG及三個臂的電阻值求得第四個臂的阻值，因此不平衡電橋原則上也可測量電阻。

　WD-1惠斯頓電橋見圖1方框內(nèi) ，A C間接1米長的伊文電阻絲(R1+R2 )，做“ 比率 ”電阻用。電阻絲AC下面是1米(0.5米)直尺，AB間接未知電阻RX ，BC間接電阻箱RS ，D為滑動按鍵。 G方框外連接的是配套儀器, E為直流穩(wěn)壓電源，R為滑線變阻器，K 1為單刀開關(guān)， K2為保護開關(guān)阻。G為檢流計。

　　基于惠斯頓電橋的壓力傳感器

　　許多壓力傳感器使用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，它們由4個采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)連接的壓敏電阻組成。當這些傳感器上沒有壓力時，橋中的所有電阻值都是相等的。當有外力施加于電橋時，兩個相向電阻的阻值將增加，而另兩個電阻的阻值將減小，而且增加和減小的阻值彼此相等。

　　遺憾的是，事情并非如此簡單，因為傳感器存在偏移和增益誤差。偏移誤差是指沒有壓力施加于傳感器時存在輸出;增益誤差指傳感器輸出相對于施加于傳感器外力的敏感程度。典型傳感器一般規(guī)定激勵電壓為5V，具有20mV/V的標稱滿刻度輸出。這意味著在激勵電壓為5V時，標稱滿刻度輸出為：20 mV/V × 5 V = 100 mV.

　　偏移電壓可能是2mV，或滿刻度的2%;最小和最大滿刻度輸出電壓可能是50mV和150mV，或標稱滿刻度的±50%。

　　假設(shè)兩個電阻串聯(lián)形成電阻串，由于是等值電阻，因此兩電阻間的節(jié)點電壓是電阻串電壓的一半。如果一個電阻值增加1%，另一個電阻減小1%，那么兩個電阻節(jié)點處的電壓將改變1%。如果將兩個電阻串進行并聯(lián)，如圖1所示，左邊下方的電阻和右邊上方的電阻阻值均減小1%，另外兩個電阻增加1%，那么兩個“中”點間的電壓將從零差值變?yōu)楦淖?%。兩個并行分支的這種配置就被稱為惠斯頓橋。

　　圖1：受激勵電壓VEX和差分輸出電壓V驅(qū)動的惠斯頓橋。

　　如果不了解偏移以及傳感器輸出電壓和壓力之間的真實關(guān)系，我們就只能粗略估計施加于傳感器上的壓力大小。這意味著需要采樣校準的方法來獲得更好的精度。

　　幸運的是，給定傳感器的偏移和滿刻度誤差隨時間變化相當穩(wěn)定，因此一旦傳感器得到校準，在該傳感器生命期內(nèi)可能無需改變校準系數(shù)就能滿足精度要求。當然，在每次上電時通常需要再次校準系統(tǒng)。