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核心第3章 · 电阻式传感器第13章 · 新型传感器

惠斯通电桥

一句话看懂

惠斯通电桥用四个电阻臂构成桥式电路，通过桥臂电阻变化引起的失衡输出电压来测量电阻变化量，单臂电桥适用于 1Ω 以上的大电阻测量。

惠斯通电桥的基本结构

惠斯通电桥由四个电阻臂 $R_{1}$ 、 $R_{2}$ 、 $R_{3}$ 、 $R_{4}$ 和电源 $E$ 组成，接成菱形（四边形）结构。电源接在一对对角节点上，另一对对角节点 $a$ 、 $b$ 之间为电桥的输出端。

输出电压关系

设电源电压为 $\dot{U}$ ，则 $a$ 、 $b$ 两点的电位差即电桥输出电压为

{\dot{U}}_{o} = U_{a} - U_{b} = \frac{R_{1}}{R_{1} + R_{2}} \dot{U} - \frac{R_{3}}{R_{3} + R_{4}} \dot{U} = \frac{R_{1} R_{4} - R_{2} R_{3}}{(R_{1} + R_{2}) (R_{3} + R_{4})} \dot{U}

由该式可见，当 $R_{3}$ 和 $R_{4}$ 为常数时， $R_{1}$ 和 $R_{2}$ 对电桥输出电压的作用效果相反。电桥补偿法正是利用这一基本关系实现对测试结果的补偿，从而消除温度误差。

平衡条件

当 $R_{1} R_{4} = R_{2} R_{3}$ 时， ${\dot{U}}_{o} = 0$ ，电桥处于平衡状态。取 $R_{1} = R_{2} = R_{3} = R_{4}$ 时电桥平衡。

单臂工作（惠斯通电桥）的测量方法

将工作电阻应变片 $R_{1}$ 粘贴在被测试件表面上，补偿电阻应变片 $R_{2}$ 粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且只有工作电阻应变片承受应变。这种单臂工作的测量电桥通常被称作惠斯通电桥。

当被测试件不承受应变时， $R_{1}$ 和 $R_{2}$ 处于同一温度环境，通过调整电桥参数（即选取 $R_{1} = R_{2} = R_{3} = R_{4}$ ）使之平衡。当温度变化时，两个电阻应变片因温度引起的电阻变化量相同（ $Δ R_{1} = Δ R_{2}$ ），电桥仍处于平衡状态，从而消除温度误差。

大小电阻适用范围的实质对照

惠斯通电桥（单臂电桥）适用于测量 $1 Ω$ 以上的大电阻。开尔文电桥（双臂电桥）在惠斯通电桥基础上增加了 $R_{3}$ 、 $R_{4}$ 及连接电阻 $r$ ，并配有检测仪表，适用于测量 $1 Ω$ 以下的小电阻。

工程测试中的注意事项

采用惠斯通电桥检测应变信号时，输出信号量通常非常微小，如微伏（ $μ V$ ）甚至纳伏（ $n V$ ）级。工程测试中需要注意：

导线选用、连接与操作：连接电阻应变片的导线应选用 2 芯或 4 芯双绞带金属屏蔽和护套的 PVC 电缆，线径不能太小；屏蔽线应连接到一起再与地线连接；测量过程中不要移动导线。
电源：电源纹波大、稳定性差将不能实现对微小信号的检测；采用直流电源时应尽可能采用线性电源以降低电源纹波。
信号滤波和放大电路：通常采用差分运算放大器完成电桥差分信号的合成与小信号放大；一次性大倍数放大不能获取可靠信号，因为电路测量噪声同时被放大，一般需要对信号进行逐次放大、滤波。

扩展进一步了解

压力测量中的使用

第13章ST3000结构例中，隔离膜片将压力传递给敏感膜片，扩散电阻组成惠斯通桥，膜片受压后的阻变使桥输出表征压力。它属于该装置的机械传压—电阻—桥输出链；不是任意四阻桥都无需标定即可输出压力，也不把某装置关系推广为全范围严格线性。

!原课件第40页结构与关系

测试

基础测试

基础测试统一使用选择题，先确认概念、定义和关键判断是否扎实。

选择题

惠斯通电桥的平衡条件是什么？

选择题

在单臂工作的惠斯通电桥中，补偿片 R2 的主要作用是什么？

选择题

关于惠斯通电桥和开尔文电桥的适用范围，下列说法正确的是？

知识关联

前置知识

补偿应变片应变片温度误差光电路灯控制电路零值法前置放大器

当前知识惠斯通电桥

后续知识

补偿应变片电桥温度补偿法热敏电阻温度补偿法差动电桥半桥差动电路全桥差动电路

基本信息

引用本卡（14）

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资料来源 (4)

电阻传感器课件 · slide 40电阻传感器课件 · slide 39传感器与检测技术第4版 · lines 1929—1948传感器与检测技术第4版 · lines 1786-1839