惠斯通电桥你知道怎么使用吗？聊聊惠斯通电桥

惠斯通电桥（Wheatstone Bridge）是一种精确测量电阻的仪器，广泛应用于各种科学实验和工程领域。它的工作原理是利用四个电阻组成的电桥电路，通过调节其中一个或多个电阻值，使得电桥达到平衡状态，从而根据已知电阻值计算出待测电阻的值。

一、惠斯通电桥的工作原理

惠斯通电桥的工作原理是基于欧姆定律和基尔霍夫定律。当电桥中没有电流流过时，四个电阻之间的电压相等，即：

U1/R1 = U2/R2

当电桥中有电流流过时，根据基尔霍夫定律，电桥的任意一个节点处的电流之和等于零，即：

I1 + I2 = 0

其中，I1和I2分别是电桥的两个输入端（A和B）的电流。将这两个方程联立求解，可以得到：

Rx = R2 * R4 / (R1 + R2)

其中，Rx是待测电阻的值，R1、R2、R3和R4是电桥中的四个电阻。从这个公式可以看出，只要知道电桥中的三个已知电阻值，就可以精确地计算出待测电阻的值。

电路的拓扑图如下所示：

二、惠斯通电桥的结构组成

惠斯通电桥通常由四个电阻和一个检流计（或称为零位指示器）组成。这四个电阻分为两组，每组两个电阻，分别连接到电桥的两个输入端（A和B）。检流计则连接到电桥的一个对角线（C），用于检测电桥是否达到平衡状态。

在实际应用中，为了提高测量精度和稳定性，通常会使用高精度的电阻作为电桥中的四个电阻。此外，还可以通过添加电源、放大器等辅助设备，实现对电桥的自动控制和信号放大。

三、惠斯通电桥的分类

惠斯通电桥有4个电阻，且其中一个电阻未知并且电阻的变化和外界物理量的变化有关。在设计原理上，根据电阻变化的数量，又将惠斯通电桥分为单臂式，双臂式和全桥式。

单臂式

单臂式惠斯通电桥意味着只有一个电阻发生变化，如下图中的R1，而其他三个电阻保持不变。如下所示。

同理可求V2，且上述电桥还满足R1=R2，R3=R4必须成立。

如果在设计时有

则输出电压的关系式可以化简为：

即输出电压大小和电源电压以及电阻R1的变化量有关。设计电路时使用确定的VCC给系统供电，那么输出电压只与电阻R1和其变化量有关。

双臂式

双桥臂意味着有两个电阻发生变化，类似于半桥。

双桥臂的电阻和单臂式的电阻一样，必须满足R1=R2，R3=R4，且在变化的两个电阻R1和R2中，还需要满足它们的变化量呈现负相关。即满足：

结合单臂式的推导公式 ，可以计算出双臂式的数学表达式如下：

双桥臂的输出电压也和电源VCC以及电阻R1本身及变化量有关。双臂式和单臂式相比，电压变化相差2倍，则可以判断出双臂式的电桥要比单臂式的灵敏度更高。

全臂式

全桥意味着惠斯通电桥中的四个电阻都要发生变化，且电阻之间的存在的关系如下图所示。

在全桥臂中，电阻需要满足的关系如下：R1=R2=R3=R4，且

相比单臂式和双臂式而言，对电阻的变化的要求更高。

同理可以推出数学关系式为：

全臂式相对双臂式电压相差2倍，和单臂式相差4倍，因此，灵敏度会更高。

四、惠斯通电桥的使用方法

使用惠斯通电桥测量电阻时，需要遵循以下步骤：

1.连接电桥：将四个电阻按照电桥电路图的要求连接起来，形成一个闭合的电路。同时，将检流计连接到电桥的一个对角线（C）。

2.调节电阻：通过调节电桥中的一个或多个电阻值，使得电桥达到平衡状态。此时，检流计的指示为零，表示电桥中的电流为零。

3.读取电阻值：根据已知电阻值和平衡状态下的电压关系，计算出待测电阻的值。具体计算公式为：

Rx = R2 * R4 / (R1 + R2)

五、惠斯通电桥的应用领域

由于惠斯通电桥具有测量精度高、稳定性好等优点，因此在各种科学实验和工程领域得到了广泛应用。以下是一些典型的应用场景：

1.实验室测量：在物理、化学、生物等实验室中，惠斯通电桥常用于测量各种材料的电阻、电容等参数。例如，在研究半导体材料的性能时，可以通过测量其电阻率来了解材料的导电性能；在研究电池的充放电过程时，可以通过测量电池内阻来了解电池的性能。

2.工业生产：在电子、电力、通信等工业领域，惠斯通电桥常用于测量各种电子元器件的参数。例如，在制造电容器时，可以通过测量电容值来保证产品质量；在制造变压器时，可以通过测量绕组电阻来保证产品性能。

3.计量校准：在计量学领域，惠斯通电桥常用于校准各种电阻表、电压表等测量仪器。通过使用高精度的惠斯通电桥作为标准源，可以确保测量仪器的准确性和可靠性。

4.环境监测：在环境监测领域，惠斯通电桥常用于测量土壤、水体等环境中的电阻率。通过分析电阻率的变化，可以了解环境的变化趋势，为环境保护提供科学依据。

总之，惠斯通电桥作为一种精确测量电阻的仪器，在各种科学实验和工程领域具有广泛的应用价值。通过深入了解其工作原理、结构组成、使用方法以及应用领域，可以更好地利用这一工具解决实际问题。