惠斯通电桥

惠斯通电桥

外文名	Wheatstone Bridge
核心功能	精密电阻测量、微小应变检测
组成	四个电阻、电源、检流计
关键状态	电桥平衡 (输出为零)
衍生应用	压力传感器、称重传感器

惠斯通电桥（Wheatstone Bridge）是一种用于测量未知电阻值的电路结构。它由四个电阻桥臂组成，通过调节其中一个或多个电阻使电桥达到平衡状态，从而利用已知电阻推算出待测电阻的精确阻值。

由于其极高的灵敏度，惠斯通电桥目前广泛应用于应变计、压力传感器和温度测量等工业领域。

电路结构与基本原理

典型电桥由四个电阻 $R_1,R_2,R_3$ 和 $R_x$（待测电阻）围成一个菱形网格：

• 激励源： 在菱形的一对对角顶点接入电源。
• 检流计： 在另一对对角顶点接入灵敏检流计（或差分放大器）。

平衡条件

当检流计示数为零时，称电桥达到平衡。此时，相对桥臂电阻的乘积相等：

$R_1\cdot R_x=R_2\cdot R_3$

由此可求得待测电阻：

$R_x=\frac{R_2}{R_1}\cdot R_3$

非平衡电桥与信号采集

在现代传感器应用中，电桥通常工作在非平衡状态。当待测物理量（如压力、拉力）导致电阻发生微小变化 $\Delta R$ 时，输出电压 $V_{out}$ 与电阻变化成比例：

$V_{out}=V_{in}\cdot (\frac{R_x}{R_x+R_3}-\frac{R_2}{R_1+R_2})$

这种差分输出方式极大地提高了系统捕捉微弱信号的能力。

在 EMC 工程师视角下的应用

• 差分信号与共模抑制： 惠斯通电桥本质上是一个对称结构。理想情况下，外界引入的电磁骚扰（如空间射频耦合）会以共模信号的形式同时出现在电桥的两端。利用高共模抑制比（CMRR）的仪表放大器，可以消除这些干扰，提取真实的传感器信号。
• 电桥平衡与抗干扰： 在高精度的医疗设备（如血压计）中，电桥的不平衡（由于走线阻抗不一致或寄生电容不匹配）会将共模干扰转化为差分噪声，导致测量精度下降或系统复位。
• PCB 布局对称性： 为了保持电桥的 EMC 性能，在 PCB 设计时必须保证桥臂走线的**长度一致**和**环境对称**，以确保寄生参数能够互相抵消。

衍生类型

• 凯文电桥： 用于测量 $1\Omega$ 以下的极低电阻。
• 交流电桥： 使用交流电源，用于测量电容（麦克斯韦电桥）或电感。

参见

• 电阻
• 电流
• 阻抗
• 电磁兼容
• 共模抑制比