什么是惠斯通電橋？為什么用惠斯通電橋測(cè)量應(yīng)變片？

在我的上一篇文章中，我記錄了關(guān)于應(yīng)變片的很多原理和參數(shù)，但是，對(duì)于應(yīng)變片如何使用，如何測(cè)量并沒(méi)有了深入的探究，今天先來(lái)看一看，對(duì)于應(yīng)變片，我們應(yīng)當(dāng)如何使用。

首先，已經(jīng)確定的是，應(yīng)變片作為一個(gè)傳感器，我們主要是使用他的阻值變化特性，因此我們需要對(duì)應(yīng)變片的電阻進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際上，在電子檢測(cè)中，電阻是無(wú)法被直接測(cè)量的，通常我們使用的ADC都是去測(cè)量電壓，對(duì)于應(yīng)變片也不例外。

之前，我在BMS的文章中記錄過(guò)BMS母線電流的檢測(cè)，當(dāng)時(shí)是利用的檢流電阻來(lái)測(cè)量電量，也就是說(shuō)，已知檢流電阻值R，測(cè)量R兩端的電壓來(lái)確定電阻R上面流過(guò)的電流。

【五】BMS 系統(tǒng)的電流采樣都有哪些注意事項(xiàng)？

利用上面的原理，我們可以猜測(cè)到，如果我們使得應(yīng)變片上流過(guò)固定的電流I，那么，測(cè)定應(yīng)變片兩端的電壓，就可以推算出應(yīng)變片的阻值R。

如上圖，使用恒流源提供給應(yīng)變片一個(gè)激勵(lì)，我們就可以通過(guò)deltaV來(lái)計(jì)算應(yīng)變片的電阻值了。但是，這有些問(wèn)題，那就是我們忽略了應(yīng)變片的可變范圍，它的阻值變化范圍非常小，一般在0.1% ~ 0.5%之間。假設(shè)我們選擇的應(yīng)變片的阻值變化范圍為0.2%，我們選擇了一個(gè)500R的應(yīng)變片，也就是說(shuō)，我們的應(yīng)變片的阻值變化幅度為500 * 0.002，也就是1R。

這意味著什么呢？意味著我們需要檢測(cè)的范圍是1R，假設(shè)激勵(lì)電壓是1V，檢測(cè)的電壓范圍就是2mV。假設(shè)現(xiàn)在要求我們的ADC是12bit的分辨率，要達(dá)到這個(gè)分辨率，就得把2mV進(jìn)行4096各等分，精度就要達(dá)到

0.488uV意味著，我們需要分辨出0.488ppm，百萬(wàn)分之一還不到。

再加上應(yīng)變片本身的材料隨溫度的變化而變化，金屬件本身隨溫度變化還有個(gè)繃脹系數(shù)，怎么測(cè)的準(zhǔn)確呢？

這就不得不提出惠斯通電橋的概念。

上面這個(gè)圖就是惠斯通電橋的典型圖示，乍一看跟整流橋很像，但是八竿子打不著哈。

在上面的圖中，Ve是激勵(lì)電壓，Vo+和Vo-是一對(duì)差分信號(hào)。R1 ~ R4是可以接應(yīng)變片的地方。是的，我們可以接四個(gè)應(yīng)變片，典型的場(chǎng)景可以映射到我們的體重秤，一般正好是4個(gè)接觸點(diǎn)。

簡(jiǎn)單的定性分析惠斯通電橋可以這樣理解，如果R1=R2=R3=R4 。Ve給定電壓是5V，那么Vo-和Vo+都是2.5V，壓差為0。如果R4減小，R3增大，那么Vo-電壓就會(huì)上升。同時(shí)R1增大，R2減小則Vo+就會(huì)降低，最終的輸出的壓差就會(huì)變大。繼續(xù)推理一下就能明白，最終的壓差可以是4個(gè)電阻變化的疊加值。

這樣一來(lái)，原來(lái)每個(gè)應(yīng)變片很小的變化范圍，一下子就被放大了四倍。

這還不是最重要的，最重要的是，每個(gè)應(yīng)變片的溫飄可以被消除掉，每個(gè)金屬件的膨脹系數(shù)也會(huì)被消除掉。舉個(gè)栗子，R3和R4上面的電阻溫飄和金屬件的膨脹方向是同時(shí)變大變小，這并不想影響Vo-的電壓變化。

這就是我們使用惠斯通電橋來(lái)測(cè)量應(yīng)變片的根本原因。

我之前在平衡車(chē)上的應(yīng)用就在這里出現(xiàn)了一點(diǎn)小問(wèn)題，我選用了垂直方向的應(yīng)變計(jì)，貼在了一個(gè)變形的位置上，變形的方向?qū)е驴v向應(yīng)變計(jì)和橫向應(yīng)變計(jì)的變化是相同的，也就是要么同時(shí)變大，要么同時(shí)變小。與此同時(shí)，我在惠斯通電橋上面的鏈接也出現(xiàn)了問(wèn)題，把這兩個(gè)應(yīng)變計(jì)鏈接宰了R3和R4的位置。這導(dǎo)致的最終結(jié)果是，檢測(cè)到變形的量縮小了。

又因?yàn)檐?chē)體本身優(yōu)先考慮功能的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)于變形量和變形方向的分析都沒(méi)有認(rèn)真分析，導(dǎo)致在軟件算法上處理起來(lái)很費(fèi)勁，時(shí)長(zhǎng)出現(xiàn)不靈敏的時(shí)候。所以說(shuō)，做產(chǎn)品還得做到足夠細(xì)致，即便是從工程出發(fā)，也要求盡到理論基礎(chǔ)上來(lái)作為驗(yàn)證。

所以，我們可以簡(jiǎn)單的做個(gè)惠斯通電橋的應(yīng)用說(shuō)明，假設(shè)如下的測(cè)力環(huán)境下：

如果我們從頂端和底端分別貼應(yīng)變片R1和R2來(lái)提高測(cè)量的精度，那么這兩個(gè)應(yīng)變片的鏈接方式一定是在同一個(gè)板橋上，因?yàn)樗麄兊淖兓较蛳喾础?/p>

今天線寫(xiě)到這里，后面繼續(xù)展開(kāi)應(yīng)變片的4線鏈接和6線連接法，以及如何設(shè)計(jì)激勵(lì)電源和ADC的參考電源的內(nèi)容。