惠斯通電橋
關(guān)注創(chuàng)建者：HBK測(cè)試與測(cè)量 創(chuàng)建時(shí)間：2020-10-12
惠斯通電橋的視頻教程
小應(yīng)變大學(xué)問(wèn)——應(yīng)變測(cè)量之惠斯通電橋
惠斯通電橋歷史 3. 惠斯通電橋電路基礎(chǔ) 4. 電路類型以及測(cè)量設(shè)備的調(diào)校 5. 溫度補(bǔ)償
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惠斯通電橋的實(shí)例教程
惠斯通電橋（Wheatstone Bridge）在應(yīng)變測(cè)量中具有決定性的意義，主要體現(xiàn)在將微小的電阻變化轉(zhuǎn)化為易于檢測(cè)的電壓信號(hào)，并有效抑制環(huán)境干擾。惠斯通電橋不僅是應(yīng)變片工作的載體，更是實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性、低漂移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的技術(shù)核心。</p><p><br></p><p>惠斯通電橋在應(yīng)變測(cè)量中的核心意義：</p><ul><li>極高靈敏度的微量測(cè)量</li><li>環(huán)境干擾的自動(dòng)補(bǔ)償（溫度補(bǔ)償）</li><li>多種布橋方式的靈活性</li><li>消除系統(tǒng)誤差與零點(diǎn)漂移</li></ul><p><br></p><p>本次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)力求理論與實(shí)踐相結(jié)合，以通俗易懂的方式講述應(yīng)變測(cè)量惠斯通電橋知識(shí)，幫助初學(xué)者快速入門，為有經(jīng)驗(yàn)的從業(yè)者提供新的思路與參考，共同推動(dòng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)在測(cè)試、研發(fā)及工程監(jiān)測(cè)中的深入應(yīng)用與創(chuàng)新。</p><p><br></p><p><strong>內(nèi)容概要：</strong></p><ul><li>「小應(yīng)變大學(xué)問(wèn)——應(yīng)變測(cè)量基礎(chǔ)」回顧</li><li>惠斯通電橋歷史</li><li>惠斯通電橋電路基礎(chǔ)</li><li>電路類型以及測(cè)量設(shè)備的調(diào)校</li><li>溫度補(bǔ)償</li></ul><p><br></p><h2><strong>會(huì)議時(shí)間</strong></h2><p>2026年1月21日（周三）14:00-15:00</p><p><br></p><h2>會(huì)議對(duì)象</h2><p>從事測(cè)試測(cè)量特別是應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域的工程、技術(shù)、營(yíng)銷、采購(gòu)、管理人員；大中專院校相關(guān)專業(yè)師生。
展開(kāi) 惠斯通電橋可以用多種方式 測(cè)量電阻：
通過(guò)與已知電阻比較來(lái)確定電阻絕對(duì)值
測(cè)定電阻的相對(duì)變化
后一種方法用于應(yīng)變技術(shù)。它可以測(cè)定應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化，通常精度可達(dá) 10 -4到10 -2Ω/Ω。
下面的圖片顯示了惠斯通電橋的兩種不同的電氣連接圖，但實(shí)質(zhì)上是完全相同的：圖a)顯示了通常使用惠斯登電橋的菱形連接，圖b)是相同電路，這對(duì)于未經(jīng)過(guò)電氣訓(xùn)練的人來(lái)說(shuō)，將更清楚。
惠斯通電橋的四個(gè)橋臂或分支由電阻R1至R4組成。橋的角點(diǎn)2和3為橋路激勵(lì)電壓Vs;角點(diǎn)1和4為電橋輸出電壓V0 - 即測(cè)量信號(hào)。
注意：對(duì)橋路組件和連接沒(méi)有普遍接受的規(guī)則。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，有各種各樣的名稱，并反映在橋路方程中。因此，為了避免誤解，必須考慮方程中使用的名稱以及它們?cè)跇蚵分械奈恢谩?如果供電電壓 Vs 被施加到電橋角點(diǎn)2和3，那么供電電壓被 R1, R2 和 R4, R3 分成兩個(gè)半橋，即每個(gè)半橋形成一個(gè)分壓器。由于 R1, R2 和 R3, R4 的電阻電壓不同，電橋可能不平衡。 計(jì)算如下：
如果橋路平衡，并且
則電橋輸出電壓 V0 為零。
在預(yù)設(shè)應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的電阻變化量 ΔR. 我們給出了以下等式：
對(duì)于應(yīng)變測(cè)量，電阻 R1 和 R2 在惠斯登電橋中必須相等。這同樣適用于 R3 和 R4。
通過(guò)一些假設(shè)和簡(jiǎn)化，可以確定以下等式（在HBM 參考書(shū)“使用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量的介紹”中給出了進(jìn)一步的解釋）：
在計(jì)算的最后一步中， ΔR/R 必須由以下代替：
這里k是應(yīng)變片的k系數(shù)，, ε 是應(yīng)變。
方程式假設(shè)橋臂中的所有電阻都改變了。例如，這種情況通常發(fā)生在傳感器測(cè)試應(yīng)用中。在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試中，這種情況幾乎不存在，因?yàn)橥ǔＶ挥幸徊糠謽虮鄄捎脩?yīng)變片，其余部分由橋接電阻組成。
展開(kāi) 對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)與傳統(tǒng)恒壓源激勵(lì)之間的區(qū)別
傳統(tǒng)惠斯通電橋采用恒壓模式，是應(yīng)變測(cè)量最普遍的方法。在高溫動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中，惠斯通電橋測(cè)試法主要產(chǎn)生三種測(cè)量不確定度。
（1） 任何載流導(dǎo)線上的電阻都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)靈敏度降低。使用通道增益可以補(bǔ)償降低的靈敏度，但是測(cè)量過(guò)程中延長(zhǎng)線的電阻會(huì)隨溫度變化，造成乘常數(shù)測(cè)量不確定度。
（2） 惠斯通電橋的連接依靠載流導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)的精確匹配來(lái)保持電橋平衡。即使測(cè)試過(guò)程中這些導(dǎo)線上最輕微的熱變化也可以使電橋輸出產(chǎn)生顯著的直流漂移。這種“零漂移”誤差無(wú)法從測(cè)試件的機(jī)械應(yīng)變區(qū)分出來(lái)，這樣就造成一個(gè)加常數(shù)測(cè)量不確定度。
（3） 惠斯通電橋的連接在物理和電氣上均不對(duì)稱，無(wú)法抑制靜電噪聲及環(huán)境電磁噪聲。
圖2示意了用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量單臂惠斯通電橋的連接方式。
圖2 單臂惠斯通電橋連接
在圖2中，其零漂主要是由于應(yīng)變計(jì)焊接的擴(kuò)展導(dǎo)線的電阻Rext引起的。
測(cè)量靈敏度定義為電路輸出電壓的變化與應(yīng)變計(jì)電阻變化的比值。由擴(kuò)展導(dǎo)線電阻Rext引起的測(cè)量靈敏度誤差是兩線連接惠斯通電橋測(cè)量較為棘手的問(wèn)題。
圖3顯示的是100Ω單臂惠斯通電橋與應(yīng)變計(jì)連接方式下，測(cè)量電橋靈敏度相對(duì)于導(dǎo)線電阻Rext的變化曲線。測(cè)量靈敏度隨著導(dǎo)線電阻的增加而減小。如果導(dǎo)線電阻已知，靈敏度的下降可以用增加放大倍數(shù)或后處理修正方法進(jìn)行補(bǔ)償。如果引線電阻未知或隨著溫度漂移變化很大，則會(huì)引起明顯的測(cè)量失真。
對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)是一種真正能抑制共模干擾信號(hào)的對(duì)稱輸入技術(shù), 適用于單臂電橋。橋路的恒流激勵(lì)不受導(dǎo)線電阻的影響，長(zhǎng)導(dǎo)線測(cè)試時(shí)不會(huì)影響測(cè)量靈敏度，如圖3所示。
圖3 歸一化測(cè)量靈敏度與導(dǎo)線電阻Rext的關(guān)系
另外，與單端恒流源激勵(lì)方式或傳統(tǒng)的恒壓源激勵(lì)方式相比，對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)使測(cè)量噪聲大幅度減小。
展開(kāi) 對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)與傳統(tǒng)恒壓源激勵(lì)之間的區(qū)別
傳統(tǒng)惠斯通電橋采用恒壓模式，是應(yīng)變測(cè)量最普遍的方法。在高溫動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中，惠斯通電橋測(cè)試法主要產(chǎn)生三種測(cè)量不確定度。
（1）任何載流導(dǎo)線上的電阻都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)靈敏度降低。使用通道增益可以補(bǔ)償降低的靈敏度，但是測(cè)量過(guò)程中延長(zhǎng)線的電阻會(huì)隨溫度變化，造成乘常數(shù)測(cè)量不確定度。
（2）惠斯通電橋的連接依靠載流導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)的精確匹配來(lái)保持電橋平衡。即使測(cè)試過(guò)程中這些導(dǎo)線上最輕微的熱變化也可以使電橋輸出產(chǎn)生顯著的直流漂移。這種“零漂移”誤差無(wú)法從測(cè)試件的機(jī)械應(yīng)變區(qū)分出來(lái)，這樣就造成一個(gè)加常數(shù)測(cè)量不確定度。
（3）惠斯通電橋的連接在物理和電氣上均不對(duì)稱，無(wú)法抑制靜電噪聲及環(huán)境電磁噪聲。
圖2示意了用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量單臂惠斯通電橋的連接方式。
圖2 單臂惠斯通電橋連接
在圖2中，其零漂主要是由于應(yīng)變計(jì)焊接的擴(kuò)展導(dǎo)線的電阻Rext引起的。
測(cè)量靈敏度定義為電路輸出電壓的變化與應(yīng)變計(jì)電阻變化的比值。由擴(kuò)展導(dǎo)線電阻Rext引起的測(cè)量靈敏度誤差是兩線連接惠斯通電橋測(cè)量較為棘手的問(wèn)題。
圖3顯示的是100Ω單臂惠斯通電橋與應(yīng)變計(jì)連接方式下，測(cè)量電橋靈敏度相對(duì)于導(dǎo)線電阻Rext的變化曲線。測(cè)量靈敏度隨著導(dǎo)線電阻的增加而減小。如果導(dǎo)線電阻已知，靈敏度的下降可以用增加放大倍數(shù)或后處理修正方法進(jìn)行補(bǔ)償。如果引線電阻未知或隨著溫度漂移變化很大，則會(huì)引起明顯的測(cè)量失真。
對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)是一種真正能抑制共模干擾信號(hào)的對(duì)稱輸入技術(shù), 適用于單臂電橋。
展開(kāi) 與所有基于應(yīng)變的傳感器一樣，多分量傳感器需要采用惠斯通電橋。
基于應(yīng)變的傳感器是如何工作的？
應(yīng)變片是一種將應(yīng)變（即拉伸或壓縮）轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器部件。在應(yīng)用中，至少需要四個(gè)這樣的部件連接組成所謂的 惠斯通電橋 。當(dāng)施加力、彎矩或扭矩時(shí)，橋路中的兩個(gè)應(yīng)變片被拉伸，而另外兩個(gè)被壓縮。通過(guò)對(duì)此類橋路提供激勵(lì)電壓，則可輸出電壓信號(hào)。由于應(yīng)變片具有優(yōu)異的線性，因此，基于應(yīng)變的傳感器非常精確可靠。應(yīng)變片產(chǎn)生正應(yīng)變或負(fù)應(yīng)變?nèi)Q于它們?cè)?em>惠斯通電橋中的位置。
因?yàn)閮蓚€(gè)應(yīng)變片在橋路中表現(xiàn)為正應(yīng)變（對(duì)張力響應(yīng)），而另外兩個(gè)表現(xiàn)為負(fù)應(yīng)變（對(duì)壓力響應(yīng)），我們可以通過(guò)巧妙地布置應(yīng)變片，確保傳感器只對(duì)一種機(jī)械應(yīng)力作出響應(yīng)。
圖1 安裝應(yīng)變片的彎曲梁。底部的應(yīng)變片在壓力作用下產(chǎn)生正應(yīng)變，頂部的應(yīng)變片對(duì)張力響應(yīng)。
圖2 傳感器彎曲：底部的應(yīng)變片變短，頂部的應(yīng)變片變長(zhǎng)，并導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生。
圖3 應(yīng)用：所有的應(yīng)變片應(yīng)變大小和方向相同，輸出信號(hào)為零。
如圖所示，如果將應(yīng)變片安裝在梁上，當(dāng)梁發(fā)生彎曲時(shí)，頂部的應(yīng)變片變長(zhǎng)，底部的應(yīng)變片變短。如果橋路按照如此方式設(shè)計(jì)，則底部的應(yīng)變片將對(duì)輸出產(chǎn)生負(fù)影響，頂部的將產(chǎn)生正影響，并導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生 (見(jiàn)圖2)。另外，如果對(duì)梁施加拉向或壓向力，所有四個(gè)應(yīng)變片都變長(zhǎng)或變短，則輸出信號(hào)為零。通過(guò)這種方式，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)只對(duì)彎矩響應(yīng)的傳感器（見(jiàn)圖3）。
與僅測(cè)量單個(gè)方向的力傳感器或扭矩傳感器不同，多分量傳感器最多有六個(gè)測(cè)量橋路。每個(gè)橋路應(yīng)變片的布置方式應(yīng)確保輸出信號(hào)僅為三個(gè)方向之一的力矩或力。不同負(fù)載情況下應(yīng)變片的布置及定位，可參考惠斯通電橋一文。
展開(kāi) 
惠斯通電橋的最新內(nèi)容
https://mp.weixin.qq.com/s/BoeARl4lxYVa3NEierGuHw" rel="noopener noreferrer" target="_blank"><img src="https://img.jishulink.com/202604/imgs/bc80690a3363425e9dcf13b91bda8635"></a></p><p>應(yīng)變片選擇、貼片工藝和流程、惠斯通電橋原理
它通常通過(guò)支持惠斯通電橋的設(shè)備（如HBK QuantumX MX1615B）進(jìn)行設(shè)定。
應(yīng)變系數(shù)的大小取決于應(yīng)變片柵絲材料，常見(jiàn)范圍在：
2.0（康銅，HBM Y系列）
2.2（Modco，用于HBK M系列）
應(yīng)變系數(shù)和惠斯通電橋的輸出信號(hào)完全正相關(guān)，應(yīng)變系數(shù)越高，信號(hào)輸出越大；系數(shù)越低，輸出越小。
惠斯通電橋（Wheatstone Bridge）在應(yīng)變測(cè)量中具有決定性的意義，主要體現(xiàn)在將微小的電阻變化轉(zhuǎn)化為易于檢測(cè)的電壓信號(hào)，并有效抑制環(huán)境干擾。惠斯通電橋不僅是應(yīng)變片工作的載體，更是實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性、低漂移靜態(tài)與動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的技術(shù)核心。
溫度對(duì)應(yīng)變片的輸出信號(hào)影響
這一點(diǎn)非常重要，這意味著惠斯通電橋結(jié)構(gòu)讓傳感器能補(bǔ)償多種不必要的影響，“無(wú)視”溫度波動(dòng)帶來(lái)的零點(diǎn)漂移，即便在變溫環(huán)境中，也能保持穩(wěn)定輸出。
2. 高精度與高性價(jià)比兼?zhèn)?應(yīng)變測(cè)量原理成熟，易于實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，同時(shí)具備優(yōu)異的成本效益。
3. 量程寬廣，應(yīng)用靈活
力傳感器的量程主要由彈性體的剛度決定。
應(yīng)變測(cè)量相關(guān)術(shù)語(yǔ)列表
εs表觀應(yīng)變
當(dāng)單個(gè)應(yīng)變片接入惠斯通電橋四分之一橋電路時(shí)，溫度變化會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)變化。這種信號(hào)稱為表觀應(yīng)變或熱輸出，與測(cè)試對(duì)象的機(jī)械載荷無(wú)關(guān)。
B 橋路系數(shù)
橋路系數(shù)指惠斯通電橋電路中有效工作應(yīng)變片的數(shù)量。對(duì)于受拉和受壓的桿件，還需考慮泊松比的影響。該系數(shù)取值范圍為1至4。
應(yīng)變片選擇、貼片工藝和流程、惠斯通電橋原理及各種橋路的適用性，包括1/4橋、半橋和全橋測(cè)量技術(shù)、測(cè)試軟件及參數(shù)的設(shè)置等。
測(cè)試案例分析，包括但不限于：電路板測(cè)試、光纖應(yīng)變、應(yīng)變計(jì)量、溫度補(bǔ)償、應(yīng)變與振動(dòng)等。
應(yīng)變測(cè)試新技術(shù)及設(shè)備介紹，包括但不限于力和扭矩測(cè)量。
（2） 惠斯通電橋的連接依靠載流導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)的精確匹配來(lái)保持電橋平衡。即使測(cè)試過(guò)程中這些導(dǎo)線上最輕微的熱變化也可以使電橋輸出產(chǎn)生顯著的直流漂移。這種“零漂移”誤差無(wú)法從測(cè)試件的機(jī)械應(yīng)變區(qū)分出來(lái)，這樣就造成一個(gè)加常數(shù)測(cè)量不確定度。
（3） 惠斯通電橋的連接在物理和電氣上均不對(duì)稱，無(wú)法抑制靜電噪聲及環(huán)境電磁噪聲。
圖2示意了用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量單臂惠斯通電橋的連接方式。
為此，必須創(chuàng)建一個(gè)惠斯通電橋電路。惠斯通電橋電路由應(yīng)變片組成。它將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 </p><p><br></p><p>實(shí)際上，<strong>基于應(yīng)變片的力傳感器</strong>可以測(cè)量最輕微的變形?從而產(chǎn)生高度精確的力測(cè)量結(jié)果，這對(duì)于需要高精度的應(yīng)用非常關(guān)鍵，例如處理精細(xì)物體或調(diào)整運(yùn)動(dòng)的力度。
在兩天的培訓(xùn)課程中，我們將為您講基于應(yīng)變的測(cè)量原理、惠斯通電橋、應(yīng)變校準(zhǔn)，力和扭矩測(cè)量、CCLD傳聲器與加速度計(jì)、數(shù)據(jù)采集和軟件、FFT分析、并提供案例分析和實(shí)踐指導(dǎo)。
芯片內(nèi)部含惠斯通電橋，工作在飽和模式下產(chǎn)生正交的正弦和余弦信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)180°范圍的角度測(cè)量，具有較寬的工作電壓范圍和溫度范圍。配合相應(yīng)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路，可應(yīng)用于位置傳感，轉(zhuǎn)速和方向檢測(cè)系統(tǒng)。該系列向客戶提供S0P8封裝，該封裝符合RoHS要求。
