知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论

惠斯通电桥可以用多种方式  测量电阻
  • 通过与已知电阻比较来确定电阻绝对值

  • 测定电阻的相对变化

后一种方法用于应变技术。它可以测定应变片电阻的相对变化,通常精度可达 10 -4到10 -2Ω/Ω。

下面的图片显示了惠斯通电桥的两种不同的电气连接图,但实质上是完全相同的:图a)显示了通常使用惠斯登电桥的菱形连接,图b)是相同电路,这对于未经过电气训练的人来说,将更清楚。

惠斯通电桥的四个桥臂或分支由电阻R1至R4组成。桥的角点2和3为桥路激励电压Vs;角点1和4为电桥输出电压V0 - 即测量信号。

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图1

注意:对桥路组件和连接没有普遍接受的规则。在现有的文献中,有各种各样的名称,并反映在桥路方程中。因此,为了避免误解,必须考虑方程中使用的名称以及它们在桥路中的位置。

如果供电电压 Vs 被施加到电桥角点2和3,那么供电电压被 R1, R2 和 R4, R3 分成两个半桥,即每个半桥形成一个分压器。由于 R1, R2 和 R3, R4 的电阻电压不同,电桥可能不平衡。 计算如下:

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图2

如果桥路平衡,并且

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图3

则电桥输出电压 V0 为零。

在预设应变的情况下,应变片的电阻变化量 ΔR. 我们给出了以下等式:

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图4

对于应变测量,电阻 R1 和 R2 在惠斯登电桥中必须相等。这同样适用于 R3 和 R4。

通过一些假设和简化,可以确定以下等式(在HBM 参考书“使用应变片进行测量的介绍”中给出了进一步的解释):

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图5

在计算的最后一步中, ΔR/R 必须由以下代替:

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图6

这里k是应变片的k系数,, ε 是应变。

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图7

方程式假设桥臂中的所有电阻都改变了。例如,这种情况通常发生在传感器测试应用中。在实验应力测试中,这种情况几乎不存在,因为通常只有一部分桥臂采用应变片,其余部分由桥接电阻组成。一般称为四分之一桥,半桥,双四分之一或斜桥和全桥。


知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图8

根据不同测量任务,测量点上会使用一个或多个应变片。例如全桥、半桥或四分之一桥等表示,实际上它们是不正确的。事实上,测量电路总是完整的,由应变片或含有应变片的试样以及固定电阻来组成;传感器通常要比实验应力测试有更严格的精度要求。一般来说,传感器在所有四个桥臂上都采用应变片(全桥电路)。

如果需要消除各种干扰,应采用全桥或半桥电路进行应力分析。非常重要的是,不同应力状况是有明显区别的,例如压向或拉向,以及弯曲、剪切或扭转应力等。

下表显示了应变片的几何位置、桥路类型和桥路系数B对额定力、弯矩、扭矩和温度的依赖性。每个例子中小表描述的是每种影响量指定的桥路系数B。该方程用于计算输出信号V0/VS的有效应变。

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图9

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图10

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图11

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图12

注意:假设圆柱轴用于扭矩测量,如13, 14和15。由于对称性的原因,允许在x和y方向弯曲。同样也适用于矩形或矩形截面的杆件。

符号解释

知识分享 | 惠斯通电桥的基本原理和理论的图13


微信

「甜蜜」事业 | 巧克力包装系统高速动态称重的核心

“霍家”秘籍 | 让你的传感器具备更高性能与成本优势

案例分享 | 让屹立90年的海上大桥焕发青春

案例分享 | 采用HBM设备进行复杂的直升机测试

您还可以通过如下方式联系我们,了解更多产品与应用详情:

邮箱:hbmchina@hbm.com.cn

官网:https://www.hbm.com/cn/

电话:400-900-3165(周一至周五9:00-18:00)

(7条)
默认 最新
学习了
评论 点赞
加油
评论 点赞

查看更多评论 >

点赞 14 评论 7 收藏
关注