电阻电桥(惠斯通电桥)分析及应用

1. 电阻桥定义解释

惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路,这四个电阻分别叫做电桥的桥臂,惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化,单片机采集可变电阻两端的电压然后处理,就可以计算出相应的物理量的变化,是一种精度很高的测量方式。其电路形式如下图所示。

惠斯通电桥

在电桥中有三个电阻阻值是固定的分别为R1,R2,R3,第四个电阻是可变的为Rx,Rx发生变化时,图中B,D两点之间的电压发生变化,通过采集电压的变化就可以知道环境中物理量的变化,而从实现测量的目的。下面举例介绍电桥电路的计算方式。

2. 电阻桥相关计算

假设流过R1,R2桥臂的电流为I1,流过R3,Rx桥臂的电流为I2,电桥供电电压为VCC,如下图所示。

计算惠斯通电桥

通过欧姆定律可以计算出每个电阻两端的电压。在R1和R2这两个桥臂上,R1,R2将VCC电压分压,R2电阻两端得到的电压即为V1;在R3和Rx这个桥臂上,R3,Rx将VCC电压分压,R3电阻两端得到的电压即为V2。下面分别用欧姆定律计算V1和V2。

流过电阻R1和R2的电流I1:

计算通过R1和R2的电流I1

R2两端的电压V1:

计算R2的电压V1

流过电阻R3和Rx的电流I2:

计算通过R3和Rx的电流I2

R3两端的电压:

计算R3的电压

V1和V2的电压差:

计算V1和V2的电压差

由此可以看出:

  1. 如果4个电阻都相等,即R1=R2=R3=Rx,那么ΔV=0,即电桥处于平衡状态;

  2. Rx发生变化会导致△V发生变化;

3. 电阻桥的应用

在实际使用中,我们通常将其中三个电阻值固定,而将另外一个电阻换成热敏电阻、压敏电阻、PT100等,这时候就可以用电桥来测物理量了。如果将PT100接入电桥,随着环境温度的变化,PT100的阻值发生变化导致ΔV发生变化,将差分电压ΔV通过差分运放放大后进入单片机的AD采样,再对照PT100的电阻-温度对应表就可以知道当前环境的温度了。