电桥平衡原理与应用探索

　　惠斯通电桥是一项具有里程碑意义的发现，它将高中物理学与大学电路学区分开来。这也是一个典型的例子，说明电报于 1838 年出现后，对电路分析和计算的需求不断增长。惠斯通电桥本身也是智慧的结晶。由于电源存在内阻，直接使用伏安法测量电阻会产生一定误差。在追求精度的道路上，惠斯通电桥首次被用于测量电阻。从理论上讲，惠斯通电桥和欧姆电路中的毕达哥拉斯定理具有零误差的理想模型，但由于实现了电路学版本，因此研究它具有重要意义。接下来将详细阐述惠斯通电桥的工作原理。

惠斯通电桥

　　一、惠斯通电桥的定义

　　惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别被称为电桥的桥臂。惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，单片机采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。

　　二、惠斯通电桥的原理

　　惠斯通电桥具有类似的功能，可用于静态和动态信号。将惠斯通电桥功能的最佳可视化视为连接到公共电压源的两个简单的分压器。如果这些分压器中的电阻值相等，那么每个分压器中点的电压将相等。连接在这两个点之间的直流电压表将指示零电压，即使两个点都处于 1/2 激励电压的电压电位。组成分压器的任何一个电阻器的微小变化将导致分压器的相对变化

　　并在电压表上显示。由于在这些点仅存在应变产生的信号，因此可以安装直流放大器代替电压表，并生成高电平信号，而不管在这两个点处存在的大共模电压。

　　如果惠斯通电桥电路由 4 个相等电阻的应变计组成，这些应变计处于无应变状态，则称该桥为“平衡”，并且在桥输出端子处不存在输出电压。作为应变计的结构加载电阻，电阻增加或减小，导致电桥变得不平衡并产生按比例的信号。根据每个应变计在桥中的位置，电阻变化将从输出信号中增加或减少。惠斯通电桥固有的计算特性用于力传感器的设计中的多个目的。

　　该特性的常见用途是消除与预期应变相关的变化无关的电阻变化效应。例如，温度将在施加到零件的所有应变计中产生相等的应变变化。如果对所有应变计的影响相同，则电桥将有效地消除这些与温度相关的变化。测量弯曲梁的量规通常以“对”的方式安装，其中一个量规测量拉应变，而另一个量规优于特定梁截面。通过将这两个量规放置在“相邻”桥“臂”中，信号虽然符号相反，但相对于桥输出是相加的。施加到梁的端部载荷将同等地影响两个量规，使电桥消除其对电桥表观输出的影响。单独测量信号的这种加和和减法用于产生对沿着限定轴的力敏感的力传感器。

　　值得注意的是，为了消除这些外部信号，每个应变计对必须具有相等但相反的电阻变化。如果一个或多个这些应变片被外部无源电阻意外或故意“分流”，则不仅测量片的基准电阻会改变，而且其有效灵敏度（应变计因子）也会改变。该效应通常用于校正传感器的“串扰”灵敏度以及“微调”其在空间中的敏感力轴位置。不幸的是，传感器的用户会无意识地执行这种操作，传感器用户会直接跨越各个桥臂施加外部电阻网络，试图“平衡”传感器。有时，这些寄生分流网络以“T”平衡网络的形式出现在市售的“读出”仪器中，用户必须谨慎地组合力测量系统，否则他可能会发现自己不仅测量了参数，还测量了其他内容他感兴趣。

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