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휘트스톤 브리지 계산기

휘트스톤 브리지 출력 전압, 밸런스 조건 및 감도를 계산합니다.스트레인 게이지, RTD 및 정밀 저항 측정에 사용됩니다.

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공식

V_{out} = V_{in} \left(\frac{R_3}{R_1+R_3} - \frac{R_4}{R_2+R_4}\right)

V_out— 차동 출력 전압 (V)

V_in— 브리지 공급 전압 (V)

R1–R4— 브릿지 암 저항 (Ω)

작동 방식

이 계산기는 정밀 측정 기술을 배우는 계측 엔지니어, 센서 설계자 및 전자 공학 학생에게 필수적인 휘트스톤 브리지 출력 전압 및 밸런스 조건을 계산합니다.휘트스톤 브리지는 작은 저항 변화를 측정 가능한 전압으로 변환하는 기본 회로로서 스트레인 게이지, RTD, 로드 셀 및 압력 센서에 사용됩니다.브리지 출력은 Vout = Vin (R3/ (R1+R3) - R4/ (R2+R4)) 이며, 이는 R1/R2 = R3/R4 (밸런스 상태) 일 때 0입니다.한쪽 암의 저항 변화 (dR) 가 작은 경우, 공칭 저항이 R인 쿼터 브리지의 경우 선형화된 출력은 Vout = Vin dR/ (4*R) 입니다. IEEE 1451.4 (스마트 트랜스듀서 인터페이스) 에 따라 브리지 기반 센서는 적절한 신호 컨디셔닝으로 +/ -0.02% 의 정확도를 달성합니다.민감도는 액티브 암 한 개에 대한 저항 변화 0.1% 당 0.25mV/v입니다.풀 브리지 구성 (액티브 암 4개) 은 상대 암이 ASTM E251 스트레인 게이지 표준에 따라 동일한 온도를 경험할 때 4배 감도 (0.1% 변화당 1mV/V) 와 자동 온도 보상 기능을 제공합니다.

계산 예제

문제: 플래티넘 RTD (PT100) 온도 센서용 휘트스톤 브리지를 설계하십시오.목표: 12비트 ADC (3.3V 레퍼런스) 를 사용하여 0.1C 해상도에서 0-200C를 측정하십시오.브리지 자극은 1mA 정전류입니다.

해결 방법: 1.PT100 저항: 0C에서 R0 = 100옴, R200 = 200C에서 175.86옴 (IEC 60751) 2.저항 변화: 200C 이상 dR = 175.86 - 100 = 75.86 옴 3.브리지 구성: R1 = R2 = R4 = 100옴 고정형, R3 = PT100 (가변) 4.구동 전압: 벡스 = 암당 1mA * 100옴 = 0.1V, 단, 전압원을 사용하십시오. 5.적절한 신호를 보내려면 Vex = 2.5V를 사용하십시오. VOUT_MAX = 2.5 * (175.86/ (100+175.86) - 100/ (100+100)) 6.VOUT_MAX = 2.5* (0.637 - 0.5) = 2.5 * 0.137 = 200C에서 343mV 7.필요한 게인: G = 3000mV/343mV = 8.75 (마진으로 10을 사용) 8.해상도: 3.3V/4096/10/ 343mV * 200C = 0.047C/LSB (목표 0.1C 초과) 9.자체 발열: 2.5V^2/ (4*100) = 15.6mW (0.5C 오류가 발생할 수 있음, 심각한 경우 1V 자극 사용)

결과: 자극이 2.5V이고 게인이 10배인 브리지는 200°C에서 0.05C/LSB 분해능으로 343mV 출력을 제공합니다.

실용적인 팁

✓안정성을 극대화하려면 고정 브리지 암에 포일 저항기 (+/-2 ppm/c TCR, 허용오차 +/ -0.01%) 를 사용하십시오. 비셰이 VHP 시리즈 및 TE 커넥티비티 VSMP 시리즈는 MIL-PRF-55182 정밀 브리지에 대한 산업 표준입니다.
✓원격 센서 (R3) 에 3선 또는 4선 연결을 사용하여 리드 저항 오류를 제거하십시오. 3선에서는 ASTM E1137 RTD 측정 표준에 따라 인접 암에 있는 리드를 일치시켜 리드 저항을 상쇄합니다.
✓브리지 출력 (10-100Hz 차단) 후에 로우패스 필터를 추가하여 50/60Hz 픽업을 거부합니다. R = 10kOhm, C = 0.1uF의 간단한 RC 필터는 최소 부하로 160Hz 차단 기능을 제공합니다.

흔한 실수

✗밸런스 조건의 잘못된 해석: R1*R4 = R2*R3이 아닌 R1/R2 = R3/R4일 때 밸런스가 발생합니다. 두 형식 모두 수학적으로 동일하지만 비율 형식은 동일한 브리지 암에 있는 저항을 보여줍니다.
✗고정 저항의 온도 계수 무시: 표준 1% 금속 필름 저항기는 +/-100ppm/c TCR을 사용하며, 50°C 이상에서는 측정 오차로 나타나는 0.5% 드리프트입니다. 브리지 암에는 +/-25ppm/c 이상을 사용하십시오.
✗부적절한 자극 수준 사용: 고전압은 SNR을 개선하지만 자체 발열을 유발합니다 (I^2*R 손실). PT100 브리지의 경우 IEC 60751에 따른 자체 발열을 0.1C 미만으로 유지하려면 자극 전류를 1mA로 제한하십시오.

자주 묻는 질문

휘트스톤 브리지의 용도는 무엇입니까?

휘트스톤 브리지는 스트레인 게이지 힘/압력 측정 (ASTM E251당 +/ -0.02% 정확도), RTD 온도 감지 (IEC 60751당 +/-0.1C), 로드 셀 계량 시스템 (OIML R60당 +/ -0.02%) 및 일반 정밀 저항 측정 (null 감지기 달성) 에 사용되는 측정 가능한 차동 전압으로 변환합니다. +/ -0.001% (검류계 사용 시).차동 출력은 일치하는 저항기 또는 더미 게이지를 사용할 때 공통 모드 노이즈 (공급 변동, EMI) 및 온도 드리프트를 제거합니다.

휘트스톤 브리지의 밸런스를 어떻게 맞출 수 있을까요?

밸런스 (Vout = 0) 는 R1/R2 = R3/R4일 때 발생합니다.디케이드 저항 브리지 (켈빈 더블 브리지) 에서는 널 (null) 검출기가 0이 될 때까지 조정된 보정된 가변 저항이 한쪽 암에 포함됩니다.그러면 알 수 없는 저항은 다이얼 판독값에 암 비율을 곱한 값과 같습니다.센서 애플리케이션의 경우 브리지가 의도적으로 불균형을 이루기 때문에 출력 전압은 측정값 (스트레인, 온도, 힘) 에 비례합니다.널 측정은 NIST 교정 절차에 따라 최고의 정확도 (+/ -0.01%) 를 달성합니다.