惠斯頓電橋原理及其應(yīng)用

惠斯通電橋是一種可以精確測(cè)量電阻的儀器。電阻R1，R2，R3，R4叫做電橋的四個(gè)臂，G為檢流計(jì)，用以檢查它所在的支路有無電流。當(dāng)G無電流通過時(shí)，稱電橋達(dá)到平衡。平衡時(shí)，四個(gè)臂的阻值滿足一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系，利用這一關(guān)系就可測(cè)量電阻。平衡時(shí)，檢流計(jì)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(diǎn)電位相等，即UB=UD。因而有 I1R1=I2R2;個(gè)阻值已知，便可求得第四個(gè)電阻。測(cè)量時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)碾娮枳鳛镽1和R2，用一個(gè)可變電阻作為R3，令被測(cè)電阻充當(dāng)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(jì)來測(cè)零，故用電橋測(cè)電阻比用歐姆表分條件。電橋不平衡時(shí)，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(gè)臂的電阻值求得第四個(gè)臂的阻值，因此不平衡電橋原則上也可測(cè)量電阻。

　WD-1惠斯頓電橋見圖1方框內(nèi) ，A C間接1米長(zhǎng)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(dòng)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(hù)開關(guān)阻。G為檢流計(jì)。

　　基于惠斯頓電橋的壓力傳感器

　　許多壓力傳感器使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，它們由4個(gè)采用惠斯頓電橋結(jié)構(gòu)連接的壓敏電阻組成。當(dāng)這些傳感器上沒有壓力時(shí)，橋中的所有電阻值都是相等的。當(dāng)有外力施加于電橋時(shí)，兩個(gè)相向電阻的阻值將增加，而另兩個(gè)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(jiǎn)單，因?yàn)閭鞲衅鞔嬖谄坪驮鲆嬲`差。偏移誤差是指沒有壓力施加于傳感器時(shí)存在輸出;增益誤差指?jìng)鞲衅鬏敵鱿鄬?duì)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(lì)電壓為5V，具有20mV/V的標(biāo)稱滿刻度輸出。這意味著在激勵(lì)電壓為5V時(shí)，標(biāo)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(biāo)稱滿刻度的±50%。

　　假設(shè)兩個(gè)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(diǎn)電壓是電阻串電壓的一半。如果一個(gè)電阻值增加1%，另一個(gè)電阻減小1%，那么兩個(gè)電阻節(jié)點(diǎn)處的電壓將改變1%。如果將兩個(gè)電阻串進(jìn)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(gè)電阻增加1%，那么兩個(gè)“中”點(diǎn)間的電壓將從零差值變?yōu)楦淖?%。兩個(gè)并行分支的這種配置就被稱為惠斯頓橋。

　　圖1：受激勵(lì)電壓VEX和差分輸出電壓V驅(qū)動(dòng)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(shí)關(guān)系，我們就只能粗略估計(jì)施加于傳感器上的壓力大小。這意味著需要采樣校準(zhǔn)的方法來獲得更好的精度。

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