桥式电路构造

🔷 1. 什么是桥式电路？

桥式电路是一种利用四个阻抗元件构成菱形结构，并在对角线抽头处检测电压差来实现测量或控制的电路。

最经典形式是“惠斯登电桥（Wheatstone Bridge）”。

它的基本目的是：

• 比较两个电阻比
• 检测微小阻值变化
• 抵消电源干扰，获得高精度测量

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🔷 2. 桥式电路的基本构造（惠斯登电桥）

典型结构如下示意（ASCII 简化图）：

     R1          R2
  ┌──Ω──┐    ┌──Ω──┐
  │     │    │     │
Vin     ├────┤     Vin
  │     │    │     │
  └──Ω──┘    └──Ω──┘
     R3          R4

再加入测量对角线（输出端）：

     R1          R2
  ┌──Ω──┐    ┌──Ω──┐
  │     │    │     │
Vin     ├────┤     Vin
  │     │    │     │
  └──Ω──┘    └──Ω──┘
     R3          R4
  
     Vout+    Vout-
       ↑        ↑
         输出对角线

✦ 元件说明

• 四个阻抗元件（R₁ ~ R₄）：可以是电阻、电感、电容或传感器电阻（如应变片、NTC、PT100 等）
• Vin 供电对角线：通常为直流或交流电源
• 输出对角线（Vout+、Vout−）：用来检测桥的失衡电压

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🔷 3. 桥式电路的工作原理

桥式电路的关键是比较电阻比值：

平衡条件：

R1/R2=R3/R4

当满足这个关系时：

• 输出 Vout = 0（桥平衡）
• 对外界扰动最不敏感
• 检测精度最高

如果某个电阻变化（例如传感器），平衡被打破 → 输出端出现差动电压。

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🔷 4. 桥式电路的应用

✦ 测量电阻变化（最常见）

• 应变片压力传感器（称重传感器大多用桥）
• PT100 温度电阻测量
• 气体传感器

✦ 比较电阻精度（校准工作）

• 电阻值精密测量
• 使用低漂移元件实现 0.01% 测量

✦ 信号放大与抗干扰

• 差动输出易与仪表放大器相连，提高抗共模干扰能力

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🔷 5. 桥式电路的种类

（1）惠斯登电桥（最经典）

用于静态电阻测量。

（2）差动桥式电路

两个对称的敏感元件组成，抗温漂能力更好。

例如：

• 两个应变片拉伸 → 一增一减 → 输出翻倍

（3）全桥、半桥、四分之一桥（用于传感器）

以应变片为例：

类型	构造	特点
四分之一桥	1 个应变片 + 3 个固定电阻	最便宜
半桥	2 个应变片（或 1 个+补偿电阻）	温漂较低
全桥	4 个应变片	输出最大 & 温漂最小

（4）交流电桥

电阻换成“阻抗”（R、L、C）

• Maxwell 电桥（测电感）
• Wien 电桥（频率测试）
• Owen 电桥（测高频线圈损耗）

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🔷 6. 桥式电路的构造步骤

Step 1：确定测量目标

例如：测量一个应变片（电阻随压力变化）

Step 2：选择桥形式

• 对精度要求高 → 全桥
• 对成本要求最小 → 四分之一桥

Step 3：布置 4 个阻抗元件在桥的四个角

按惠斯登电桥结构摆放 R1、R2、R3、R4。

Step 4：接入激励电源（Vin）

• 一般为 直流电源 5V、10V、12V
• 传感器常用 5V 以减少发热

Step 5：在对角线引出输出信号（差动输出）

• 连接差分放大器、仪表放大器（如 INA333、AD620）

Step 6：通过改变一个阻抗测试其对输出的影响

例如应变片受力后：

R₁→ R₁+ ΔR

→ 桥失衡 → 输出变成：

V_out≈V_in/ 4=ΔR /R

（适用于微小变化，是一个线性关系）

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🔷 7. 构造桥式电路时的设计要点

✔ 电阻匹配要精确

四个电阻误差要小

• 一般用 0.1% 或 0.01% 精密电阻

✔ 温度漂移要匹配

否则温度变化会把桥弄得不平衡

✔ 激励电压要稳

供电噪声 → 输出噪声

✔ 输出常常需要放大

桥式输出通常只有几 mV，需要用仪表放大器放大到 Volt 级。

✔ 线路布局要对称

保持桥臂对称，有助于减少干扰。

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🔷 8. 一个典型的桥式传感器示例（全桥应变片）

   R1↑      R2↑
  (应变)   (应变)
   ┌───┐   ┌───┐
   │   │   │   │
Vin─    ────    ─Vin
   │   │   │   │
   └───┘   └───┘
  R3↓      R4↓
 (应变)   (应变)

Vout+ ↑
Vout− ↓

压力使两个应变片增阻，两个减阻 → 差动输出倍增。

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🔷 总结

桥式电路通过让四个阻抗构成一个平衡网络，用输出对角线的电压差来精准检测某个电阻的微小变化，是高精度测量中最重要的结构。