Перейти к содержанию

Мост Уитстона

Датчики давления, тензодатчики весов и многие термодатчики включают по схеме моста Уитстона. Мост превращает крошечное изменение сопротивления в разностное напряжение, которое без нагрузки равно нулю, — его легко усилить и отличить от помех.

Обновлено Редакция GAW

Мост Уитстона — схема из четырёх резисторов: два делителя напряжения от одного источника, а выходной сигнал снимают между их средними точками. Для резисторов R1–R2 в одном плече и R3–R4 в другом при напряжении возбуждения U:

Uвых=U⋅(R3R3+R4−R1R1+R2).U_{\text{вых}} = U \cdot \left(\frac{R_3}{R_3 + R_4} - \frac{R_1}{R_1 + R_2}\right).

Мост сбалансирован, когда R1/R2 = R3/R4: обе средние точки под одним напряжением, и выход равен нулю. Если один или несколько резисторов — датчики, их изменение нарушает баланс, и на выходе появляется малая разность.

Тензодатчик: цифры из Microchip AN717

Параметр тензодатчика Omega LCL816GЗначение
Напряжение возбуждения5–12 В
Выход при полной нагрузке2 мВ/В ±20 %
Баланс нуля±0,3 мВ/В
Сопротивление моста1200 ± 300 Ом

При возбуждении 5 В полная шкала — всего 5 · 2 = 10 мВ, а смещение нуля может достигать 1,5 мВ. Поэтому сигнал моста усиливают: в Microchip AN251 для этого ставят программируемый усилитель с усилением до 32. Разностный выход хорошо подходит для усилителей с высоким подавлением синфазного сигнала.

Ратиометрическое включение

Выход моста пропорционален напряжению возбуждения, поэтому опорное напряжение АЦП берут от того же источника: колебания питания тогда сокращаются, и результат зависит только от сопротивлений. Так устроено ратиометрическое измерение, которое Microchip использует в обеих схемах.

Частые вопросы

Что значит «2 мВ/В» у тензодатчика?

Выходное напряжение при полной нагрузке на каждый вольт питания моста. Тензодатчик Omega LCL816G из Microchip AN717 даёт 2 мВ/В: при возбуждении 5 В полная шкала — 10 мВ. Поэтому сигнал моста почти всегда усиливают.

Почему мост лучше одного резистивного датчика в делителе?

Сбалансированный мост даёт на выходе ноль, а изменение сопротивления — малую разность поверх нуля. Её можно сильно усилить, а одинаковые изменения в обоих плечах — от питания или температуры — вычитаются. Одиночный делитель даёт тот же малый сигнал поверх половины питания.

Зачем питать мост тем же напряжением, что и опору АЦП?

Выход моста пропорционален напряжению возбуждения. Если и опорное напряжение АЦП взято от того же источника, его колебания сокращаются, и результат зависит только от сопротивлений — Microchip называет это ратиометрическим измерением.

Источники

  1. Microchip. AN717: Building a 10-bit Bridge Sensing Circuit using the PIC16C6XX and MCP601 Operational Amplifier (DS00717A, 1999, B. C. Baker) — по схеме моста Уитстона включают датчики давления, тензодатчики и термисторы; мост даёт малый разностный сигнал; пример — тензодатчик Omega LCL816G: возбуждение 5–12 В, выход 2 мВ/В ±20 %, баланс нуля ±0,3 мВ/В, сопротивление 1200 ± 300 Ом, дрейф нуля 0,036 % от шкалы на °C; диапазон датчика ±10 мВ при 5 В; опорное напряжение, привязанное к возбуждению моста, убирает ошибки от его изменения
  2. Microchip. AN251: Bridge Sensing with the MCP6S2X PGAs (DS00251A, 2003, B. C. Baker) — резистивные мостовые датчики давления, температуры и нагрузки; мост питают напряжением VSEN — от VDD, источника тока или опорного источника — и то же напряжение используют во всей схеме, чтобы результат был ратиометрическим; разностный сигнал усиливают программируемым усилителем с усилением 1–32

Нашли ошибку?

Смотрите также