桥接电路

没有关于电桥电路的部分，任何关于电表的文本都不能称为完整的。这些巧妙的电路利用零平衡计来比较两个电压，就像实验室天平比较两个重量并指示它们何时相等一样。与用于简单测量未知电压的“电位器”电路不同，桥式电路可用于测量各种电气值，尤其是电阻。

惠斯通电桥

标准电桥电路，通常称为惠斯通电桥 , 看起来像这样：

当点 1 和电池负极之间的电压等于点 2 和电池负极之间的电压时，零位检测器将指示为零，并且电桥被称为“平衡”。电桥的平衡状态完全取决于 Ra/Rb 和 R1/R2 的比率，与电源电压（电池）完全无关。

为了用惠斯通电桥测量电阻，在 Ra 或 Rb 的位置连接一个未知电阻，而其他三个电阻是已知值的精密设备。其他三个电阻中的任何一个都可以更换或调整，直到桥平衡，当达到平衡时，可以根据已知电阻的比值确定未知电阻值。

作为一个测量系统的要求是有一组可用的可变电阻器，其电阻是精确已知的，作为参考标准。例如，如果我们连接一个桥式电路来测量未知电阻 Rx，我们将必须知道准确 其他三个电阻的平衡值来确定 Rx 的值：

桥式电路中的四个电阻中的每一个都称为arms .与未知电阻 Rx 串联的电阻（在上面的原理图中就是 Ra）通常称为 变阻器 桥的，而另外两个电阻称为ratio 桥臂。

幸运的是，准确和稳定的电阻标准并不难构建。事实上，它们是最早用于科学目的的电气“标准”设备之一。这是一个古董电阻标准单元的照片：

此处显示的电阻标准在离散步骤中是可变的：连接端子之间的电阻量可能会随着插入插座的可拆卸铜插头的数量和样式而变化。

与上一节中讨论的串联电池运动电阻计电路相比，惠斯通电桥被认为是一种更优越的电阻测量方法。与具有所有非线性（非线性标度）和相关不准确性的电路不同，桥接电路是线性的（描述其操作的数学基于简单的比率和比例）并且非常准确。

给定足够精度的标准电阻和足够灵敏度的零检测器设备，惠斯通电桥可实现至少 +/- 0.05% 的电阻测量精度。精度高，是校准实验室电阻测量的首选方法。

基本的惠斯通电桥电路有许多变体。大多数直流电桥用于测量电阻，而由交流电（AC）供电的电桥可用于测量电感、电容和频率等不同的电量。

开尔文双桥

惠斯通电桥的一个有趣变体是开尔文双电桥 ，用于测量非常低的电阻（通常小于 1/10 欧姆）。其示意图如下：

低值电阻器用粗线符号表示，并且将它们连接到电压源（承载高电流）的电线在原理图中也用粗线绘制。这种奇怪配置的电桥最好从为测量低电阻而设置的标准惠斯通电桥开始，然后逐步演变为最终形式，以克服标准惠斯通配置中遇到的某些问题。如果我们使用标准的惠斯通电桥来测量低电阻，它看起来像这样：

当零检测器指示零电压时，我们知道电桥是平衡的，并且比率 Ra/Rx 和 RM/RN 在数学上彼此相等。因此，了解 Ra、RM 和 RN 的值为我们提供了求解 Rx 的必要数据。 . .差不多。

我们有一个问题，即 Ra 和 Rx 之间的连接和连接线也具有电阻，与 Ra 和 Rx 的低电阻相比，这种杂散电阻可能很大。考虑到通过它们的高电流，这些杂散电阻会降低大量电压，从而影响零位检测器的指示，从而影响电桥的平衡：

由于我们不想测量这些杂散线和连接电阻，而只想测量 Rx，因此我们必须找到某种方法来连接零位检测器，使其不会受到它们两端电压降的影响。如果我们将零检测器和 RM/RN 比率臂直接连接到 Ra 和 Rx 的末端，这将使我们更接近实用的解决方案：

现在，前两个 Ewire 压降对零位检测器没有影响，也不影响 Rx 电阻测量的精度。然而，剩余的两个 Ewire 压降会引起问题，因为连接 Ra 下端和 Rx 顶端的导线现在在这两个压降之间分流，并将传导大量电流，沿其自身长度引入杂散电压降

知道零点检测器的左侧必须连接到 Ra 和 Rx 的两个近端，以避免将那些 Ewire 电压降引入到零点检测器的环路中，并且任何连接 Ra 和 Rx 端的直接导线本身都会携带较大的电流并产生更多的杂散压降，摆脱这种困境的唯一方法是使 Ra 下端和 Rx 上端之间的连接路径具有电阻性：

我们可以通过调整两个新电阻的大小来管理 Ra 和 Rx 之间的杂散电压降，使其从上到下的比率与零检测器另一侧的两个比率臂的比率相同。这就是为什么在原始开尔文双桥原理图中这些电阻被标记为 Rm 和 Rn：以表示它们与 RM 和 RN 的比例。

将比率 Rm/Rn 设置为等于比率 RM/RN，调整变阻器臂电阻 Ra 直到零位检测器指示平衡，然后我们可以说 Ra/Rx 等于 RM/RN，或者简单地通过以下等式找到 Rx :

开尔文双电桥的实际平衡方程如下（Rwire为低阻标准Ra与测试电阻Rx之间粗连接线的电阻）：

只要 RM 和 RN 之间的比值等于 Rm 和 Rn 之间的比值，平衡方程就不会比常规惠斯通电桥复杂，其中 Rx/Ra 等于 RN/RM，因为方程为零，消除了除 Rx、Ra、RM 和 RN 之外的所有电阻的影响。

在许多开尔文双桥电路中，RM=Rm 和 RN=Rn。然而，Rm 和 Rn 的电阻越低，零位检测器就越灵敏，因为与其串联的电阻越小。增加检测器灵敏度是好的，因为它允许检测到更小的不平衡，从而获得更好的电桥平衡度。

因此，一些高精度开尔文双桥使用 Rm 和 Rn 值低至其比率臂对应物（分别为 RM 和 RN）的 1/100。然而不幸的是，Rm 和 Rn 的值越低，它们承载的电流就越大，这将增加 Rm 和 Rn 连接到 Ra 和 Rx 端的任何结电阻的影响。如您所见，高仪器精度要求所有 错误产生的因素被考虑在内，通常可以达到的最好结果是最大限度地减少两种或多种不同类型的错误。

评论：

• 桥接电路依靠灵敏的零电压表来比较两个电压的相等性。
• 一个惠斯通电桥 可用于通过将未知电阻与已知值的精密电阻进行比较来测量电阻，就像实验室秤通过将未知重量与已知标准重量进行比较来测量未知重量一样。
• 一个开尔文双桥 是用于测量极低电阻的惠斯通电桥的变体。与基本惠斯通设计相比，其额外的复杂性对于避免低电阻标准和被测电阻之间的电流路径上的杂散电阻否则会导致错误是必要的。

相关工作表：

• 直流电桥电路工作表
• 交流电桥电路工作表