全桥差动电路

全桥差动电路

定义

全桥差动电路是电阻应变式传感器常用的桥式测量电路。它把四个应变片分别接入惠斯通电桥四个桥臂，并按差动规则布置：两片处在受拉区，另外两片处在受压区；接线时让受拉、受压引起的电阻变化在输出端相加，而不是互相抵消。

因此，全桥差动电路的核心不是“用了四个电阻”这么简单，而是把四个电阻变化量排成一组有符号的加减关系。被测力、压力或位移使弹性元件产生应变，应变片电阻发生微小变化，电桥原来的平衡被打破，A、B 两个输出端出现差动电压。

工作过程

1. 初始状态下，四个桥臂电阻相等或满足桥路平衡条件，输出电压近似为 0。
2. 被测量作用在弹性元件上后，受拉应变片电阻增大，受压应变片电阻减小。
3. 四个桥臂的电阻变化按差动接法进入输出表达式，四个贡献同向叠加。
4. 仪表放大器测量差动输出电压，再送入 ADC 或显示电路。

关键公式

设四个应变片初始阻值均为 $R$，灵敏系数为 $K$，应变大小为 $\epsilon$。在全桥差动接法中，可按输出极性把四个桥臂的贡献写成：

若四个应变片的变化量大小相等，且符号按差动接法排列：

则：

单臂电桥在小信号条件下通常有：

所以全桥差动的输出灵敏度约为单臂桥的 4 倍。

为什么能温度补偿

温度升高时，四个应变片的阻值会因为材料电阻温度系数而共同变化。如果四片应变片材料、阻值、粘贴环境和温度场尽量一致，温度造成的共同电阻增量会同时进入四个桥臂。由于电桥输出比较的是两侧分压差，这类“同向共同变化”会被抵消，输出端主要保留由机械应变造成的差动变化。

要注意：温度补偿不是自动万能成立。它依赖四个应变片匹配良好、粘贴牢固、受热条件相近、导线和桥臂电阻误差较小。若四片应变片温度不一致，或某一片粘贴质量明显较差，零点漂移仍可能出现。

工程理解

• 灵敏度高：四个桥臂都参与测量，输出信号比单臂桥更大，后级放大压力更小。
• 抗共模干扰强：温度、供电扰动和外界干扰中有一部分会表现为共同变化，差动测量能削弱这类影响。
• 线性度较好：受拉、受压的相反变化相互配合，可减小单臂电桥中较明显的非线性项。
• 装配要求更高：四片应变片的位置、方向、灵敏系数和桥臂接线必须正确，否则可能出现灵敏度下降、输出极性反向或温度补偿失败。

容易混淆的点

• “全桥”强调四个桥臂都使用敏感电阻；“差动”强调这些电阻变化在输出端按符号叠加。
• 不是任意四个应变片接入电桥都能得到 4 倍灵敏度，必须让受拉、受压桥臂按正确位置连接。
• 输出电压的正负号取决于 A、B 输出端定义和应变片接线顺序。考试或工程计算更应关注变化量是否同向叠加、灵敏度是否为单臂的 4 倍。

可作为学生补充的观察

• 若把某一片应变片接反，全桥仍可能有输出，但灵敏度会明显变小，甚至接近半桥或出现零点偏移。
• 全桥常用于称重传感器，是因为弹性体上天然存在受拉区和受压区，便于放置四片应变片。
• 全桥输出通常是毫伏级信号，必须配合仪表放大器，不能直接接普通数字输入端。
• 判断一道桥路题时，先标出每个桥臂是 $+\Delta R$ 还是 $-\Delta R$，再看它们在输出公式中是相加还是相减。