휘트스톤 브리지 회로 (Wheatstone Bridge Circuit)
쉽게 풀면
두 개의 전압 분배 회로를 나란히 놓고 그 중간점끼리의 전압 차이를 측정하는 구조입니다. 네 저항의 비가 균형을 이루면 중간점 전압이 똑같아져 출력이 0이 되는데, 이 상태를 평형이라고 합니다. 측정하려는 저항이 조금이라도 바뀌면 평형이 깨지면서 아주 작은 출력 전압이 나타나므로, 큰 저항값 위에 올라탄 미세한 변화만 골라 뽑아낼 수 있습니다.
왜 중요한가
스트레인 게이지, 백금 측온저항체, 압력 센서처럼 저항이 0.1% 수준으로만 변하는 센서는 저항값을 직접 재서는 변화를 구분하기 어렵습니다. 브리지 회로는 큰 기준값을 미리 상쇄하고 변화분만 증폭할 수 있게 해 주기 때문에 계측 회로의 표준 전단 회로로 쓰입니다. 온도에 따라 함께 변하는 저항을 반대편 가지에 배치하면 온도 드리프트가 서로 상쇄되는 이점도 있습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
인장과 압축을 받는 게이지를 브리지의 서로 다른 가지에 배치해 신호는 더하고 온도 오차는 빼는 방식을 설명한 문장입니다.
조금 더 깊게 보면
평형 조건은 마주 보는 두 쌍의 저항 비가 같아질 때 성립합니다. 저항 하나가 미소량 변할 경우 출력 전압은 근사적으로 공급 전압에 그 상대 변화량의 4분의 1을 곱한 값이 되며, 변형을 받는 게이지 수를 늘린 반브리지나 완전 브리지를 쓰면 감도가 2배, 4배로 커집니다. 출력이 수 밀리볼트 수준이므로 뒤에 계측 증폭기를 붙여 동상 성분을 제거하고 차동 성분만 증폭하는 것이 일반적입니다. 배선 저항이 측정값에 섞이는 문제를 줄이기 위해 3선식이나 4선식 결선을 함께 쓰기도 합니다.
주의할 점
브리지의 출력은 저항 변화가 클 때 정확히 비례하지 않고 완만하게 휘어집니다. 정밀 측정에서는 이 비선형성을 보정하거나 변화 범위를 좁게 잡아야 합니다. 정전용량 센싱이 용량 변화를 읽는 것과 달리 이 회로는 저항 변화를 읽는 구조라는 점을 구분해야 합니다.