电阻电桥基础解析：从惠斯通到现代传感器应用

"本文是关于电子设计基础的【E课堂】系列文章，主要探讨电阻电桥的基础知识，尤其是低输出信号的电桥电路。内容包括电桥电路的起源、应用、关键问题以及基本配置，同时预告了第二部分将涉及高输出信号的电桥电路。" 在电子设计中，电桥电路是一种至关重要的测量工具，尤其是在电阻测量和传感器检测方面。惠斯通电桥，作为电桥电路的一种基本形式，最初被用来精确地测量电阻值，而不需要额外的电压基准或高阻抗仪表。然而，随着时间的发展，电阻电桥的应用已超出其原始目的，被广泛应用于各种传感器，如应变计，来检测物理变化。 本文首先回顾了电桥的基本架构，如图1所示的惠斯通电桥，其中电桥的输出电压Vo是两个差分电压Vo+和Vo-的差。当电桥平衡时，输出电压为零；当电阻发生变化时，输出电压将反映出这种变化。式1给出了计算Vo的公式，它依赖于激励电压Ve以及电桥中各个电阻的相对值。在实际应用中，常常选择四个电阻具有相同标称值R，这样简化了计算，并提高了对电阻变化的敏感度。 电桥在实际操作中会面临多种关键问题，例如噪声、失调电压和失调电压漂移、共模电压以及激励电压的选择。噪声可能来源于电路内部和外部环境，影响测量精度；失调电压和漂移是指在没有输入信号时电桥产生的非零输出，这可能导致测量误差；共模电压是同时作用在电桥对称部分上的电压，可能引入干扰；激励电压则是驱动电桥工作所必需的，其大小和稳定性直接影响到输出信号的品质。 文章特别指出，有源电阻是指那些由于待测参数变化而引起阻值改变的电阻，它们可能导致输出电压的增减。根据不同的应用场景，有源电阻可能是一个、两个或全部四个，且通常假设其变化量dR为正值。在某些特定情况下，所有有源电阻的dR值相等，这简化了对输出电压的分析。 本文的第一部分主要关注低输出信号的电桥电路，如导线或金属箔应变计的应用。而后续的"电阻电桥基础(二)"将深入探讨使用硅应变仪的高输出信号电桥，这类电桥通常在更复杂的传感器系统中出现，例如在力、压力或温度测量中。 电阻电桥基础是电子设计中的重要主题，理解其原理和应用对于设计和优化传感器系统至关重要。通过掌握电桥的工作机制和关键因素，工程师能够更有效地处理测量任务，提高系统的准确性和可靠性。