niedziela, 24 października
Shadow

Mostek Wheatstone’a co to jest oraz przykłady

W tym wpisie dowiecie się co to mostek Wheatstone’a. Zobaczycie zasadę działania mostka Wheatstone, jak i zastosowanie mostka.
W świecie elektroniki analogowej spotykamy się z różnymi sygnałami, niektóre z nich są mierzone zmianami rezystancji, a niektóre zmianami indukcyjności oraz pojemności.

Jeśli weźmiemy pod uwagę rezystancję, większość czujników przemysłowych, takich jak temperatura, odkształcenie, wilgotność, poziom cieczy itd., wytwarza zmianę wartości rezystancji dla równoważnej zmiany w odpowiedniej wielkości. Dlatego istnieje potrzeba kondycjonowania sygnału dla każdego czujnika opartego na rezystancji.

Na przykład najprostszym urządzeniem, jakie możemy sobie wyobrazić, jest LDR (Light Dependent Resistor) czyli po naszemu foto rezystor. Jak sama nazwa wskazuje jest to urządzenie, którego opór zmienia się w zależności od ilości padającego na niego światła.

Generalnie pomiar rezystancji dzieli się na trzy typy:

  • Pomiar niskiej rezystancji,
  • Pomiar średniej rezystancji,
  • Pomiar wysokiej rezystancji.

Jeżeli pomiar rezystancji wynosi prawdopodobnie od kilku mikroomów do miliomów, to jest to uważane za pomiar małej rezystancji. Ten pomiar jest faktycznie wykorzystywany do celów badawczych. Jeśli pomiar wynosi od 1 oma do kilkuset kΩ, jest ogólnie określany jako pomiar średniej rezystancji. Do tej kategorii należą pomiary normalnych rezystorów, potencjometrów, termistorów itp. Rozważany jest bardzo wysoki pomiar rezystancji od kilku MΩ do ponad 100 MΩ. Do znalezienia średniej wartości rezystancji stosuje się różne metody, ale najczęściej stosuje się właśnie nasz mostek Wheatstone’a.

Co to jest mostek Wheatstone’a?

Obwody mostkowe są jednym z najpopularniejszych narzędzi elektrycznych, często stosowane w obwodach pomiarowych, obwodach przetworników, obwodach przełączających, a także w oscylatorach. Mostek Wheatstone jest jedną z najpopularniejszych i najprostszych obwodów mostkowych, które można wykorzystać do bardzo precyzyjnego pomiaru rezystancji. Ale często most Wheatstone jest używany z przetwornikami do pomiaru wielkości fizycznych, takich jak temperatura, ciśnienie, naprężenie itp.

Wheatstone Bridge jest używany w aplikacjach, w których mają być mierzone niewielkie zmiany rezystancji w czujnikach. Służy do konwersji zmiany rezystancji na zmianę napięcia przetwornika. Połączenie tego mostka wraz ze wzmacniaczem operacyjnym jest szeroko stosowane w przemyśle dla różnych przetworników jak i czujników. Na przykład rezystancja termistora zmienia się, gdy jest on poddawany zmianie temperatury. Podobnie, tensometr pod wpływem ciśnienia, siły lub przemieszczenia zmienia się jego opór. W zależności od rodzaju zastosowania mostek Wheatstone może pracować w stanie zrównoważonym lub niezrównoważonym.

Mostek Wheatstone’a składa się z czterech rezystorów (R 1 , R 2 , R 3 i R 4 ), które są połączone w kształcie diamentu ze źródłem zasilania DC połączonym w górnej i dolnej częścii wyjście są brane przez pozostałe dwa końce.

Mostek Wheatstone'a

Ten mostek służy do bardzo dokładnego znalezienia nieznanej rezystancji poprzez porównanie go ze znaną wartością rezystancji. W tym moście do znalezienia nieznanego oporu używany jest warunek balansu. Aby ten mostek był w stanie zrównoważonym, napięcie wyjściowe w punktach A i B musi być równe 0 dla powyższego obwodu:

Most jest w stanie zrównoważonym, jeśli:

VWY = 0 V

Aby uprościć analizę powyższego obwodu, przerysujmy go następująco:

Mostek Wheatstone'a 2

Teraz, dla stanu zrównoważonego, napięcie na rezystorach R1 i R2 jest równe. Jeśli V 1 jest napięciem na R1 i V2 jest napięciem na R2 , to:

V1 = V2

Podobnie napięcie na opornikach R 3 (nazwijmy to V3 ) i R4 (nazwijmy to V4 ) są również równe. Więc,

V3 = V4

Stosunki napięcia można zapisać jako:

V1 / V3 = V2 / V4

Z prawa Ohma otrzymujemy:

I1 R1/I3 R3 = I2R2 / I4 R4

Ponieważ I1 = I3 i I2 = I4 , otrzymujemy:

R1/R3 = R2/R4

Z powyższego równania, jeśli znamy wartości trzech rezystorów, możemy łatwo obliczyć rezystancję czwartego rezystora.

Alternatywny sposób obliczania rezystorów

Z przerysowanego obwodu, jeśli VIN jest napięciem wejściowym, to napięcie w punkcie A wynosi:

VIN (R3/(R1 + R3 ))

Podobnie napięcie w punkcie B wynosi:

VIN (R4 / (R2 + R4 ))

Aby most był zrównoważony, VOUT = 0. Ale wiemy, że VOUT = VA – VB .

Tak więc, w stanie zrównoważonego mostu,

VA = VB

Korzystając z powyższych równań otrzymujemy:

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

Po prostej manipulacji powyższym równaniem otrzymujemy:

R1 / R3 = R2 / R4

Z powyższego równania, gdy R1 oznacza brak rezystora, wartość może być obliczona na podstawie znanych wartości, R2 , R3 i R4 . Ogólnie rzecz biorąc, nieznana wartość jest nazywana RX, a spośród trzech znanych rezystancji, jeden rezystor (głównie R3 w powyższym obwodzie) jest zwykle zmiennym Rezystorem zwanym RV .
Znajdź nieznany opór za pomocą Balanced Wheatstone Bridge

W powyższym obwodzie załóżmy, że R1 jest nieznanym rezystorem. Więc nazwijmy to RX . Rezystory R2 i R4 mają stałą wartość. Co oznacza, że ​​stosunek R2 / R4 jest również stały. Teraz, z powyższych obliczeń, aby stworzyć zrównoważony stan, stosunek rezystorów musi być równy, tj.

RX / R3 = R2 / R4

Ponieważ stosunek R2 / R4 jest stały, możemy łatwo dostosować inny znany rezystor (R3 ), aby osiągnąć powyższy warunek. Dlatego ważne jest, aby R3 był rezystorem zmiennym, który nazywamy RV .

Ale jak wykrywamy stan zrównoważony? Tutaj można użyć galwanometru (starej szkoły amperomierza). Umieszczając galwanometr między punktami A i B, możemy wykryć stan zrównoważony.

Z R X umieszczone w obwodzie, wyregulować R V aż punktów galwanometru na 0. W tym momencie zanotować wartość R V . Korzystając z poniższego wzoru, możemy obliczyć nieznany rezystor RX .

RX = RV (R2 / R4 )

Niezrównoważony most Wheatstone

Jeśli VOUT w powyższym obwodzie nie jest równe 0 (VOUT ≠ 0), mówi się, że Wheatstone jest niezrównoważonym mostem Wheatstone’a. Zwykle niezrównoważony mostek Wheatstone jest często używany do pomiaru różnych wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie, temperatura, odkształcenie itp.

Aby to zadziałało, przetwornik musi być typu rezystancyjnego, tj. rezystancja przetwornika zmienia się odpowiednio, gdy zmienia się mierzona wielkość (temperatura, odkształcenie, itp.). W miejsce nieznanego rezystora w poprzednim przykładzie obliczania rezystancji możemy podłączyć przetwornik.

Mostek Wheatstone do pomiaru temperatury

Zobaczmy teraz, jak możemy mierzyć temperaturę za pomocą niezrównoważonego mostka Wheatstone’a. Przetwornik, którego tutaj użyjemy, nazywa się termistorem, który jest rezystorem zależnym od temperatury. W zależności od współczynnika temperaturowego termistora, zmiany temperatury zwiększają lub zmniejszają rezystancję termistora.

Mostek Wheatstone'a 3W rezultacie napięcie wyjściowe VOUT stanie się wartością niezerową. Oznacza to, że napięcie wyjściowe VOUT jest proporcjonalne do temperatury. Kalibrując woltomierz, możemy wyświetlić temperaturę w postaci napięcia wyjściowego.

Mostek Wheatstone do pomiaru odkształceń

Jednym z najczęściej używanych zastosowań mostka Wheatstone’a jest pomiar odkształcenia. Tensometr to urządzenie, którego opór elektryczny zmienia się proporcjonalnie do czynników mechanicznych, takich jak ciśnienie, siła czy naprężenie.

Zwykle zakres rezystancji tensometrów wynosi od 30Ω do 3000Ω. Dla danego szczepu zmiana oporności może stanowić tylko ułamek pełnego zakresu. Dlatego, aby dokładnie zmierzyć ułamkowe zmiany rezystancji, stosuje się konfigurację mostka Wheatstone’a.

Poniższy obwód pokazuje mostek Wheatstone’a, w którym nieznany rezystor jest zastąpiony tensometrem.

Mostek Wheatstone'a 4

Pod wpływem siły zewnętrznej zmienia się rezystancja tensometru, w wyniku czego most staje się niewyważony. Napięcie wyjściowe można skalibrować, aby wyświetlić zmiany odkształcenia.

Jedną z popularnych konfiguracji tensometrów i mostka Wheatstone jest waga. W tym przypadku tensometry są starannie montowane jako pojedyncza jednostka zwana ogniwami obciążnikowymi, która jest przetwornikiem przekształcającym siłę mechaniczną na sygnał elektryczny.

Zazwyczaj wagi składają się z czterech czujników tensometrycznych, w których dwa tensometry rozszerzają się lub rozciągają (typ naprężający) pod wpływem działania siły zewnętrznej, a dwa tensometry ściskają (typ ściskający) podczas umieszczania ładunku.

Mostek Wheatstone'a 5

Jeśli tensometr jest napięty lub ściśnięty, opór może wzrosnąć lub spaść. Dlatego powoduje to niezrównoważenie mostu. Daje to wskazanie napięcia na woltomierzu odpowiadające zmianie naprężenia. Jeśli naprężenie przyłożone do tensometru jest większe, to różnica napięć na zaciskach miernika jest większa. Jeśli odkształcenie wynosi zero, mostek równoważy się, a miernik pokazuje zero.

Chodzi o pomiar rezystancji za pomocą mostka Wheatstone’a do precyzyjnego pomiaru. Ze względu na ułamkowy pomiar rezystancji mostki Wheatstone’a są najczęściej stosowane w wagach tensometrycznych i termometrów.

5/5 - (2 votes)

1 Comment

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.