如何用四个三线传感器构建惠斯登电桥

在精密测量领域，惠斯登电桥 (Wheatstone Bridge) 是一种将传感器微弱的电阻变化转换为可测量电压信号的基础核心电路。通过将四个三线传感器（如应变片式称重传感器）正确地连接成一个全桥电路，可以实现对力、压力、重量等物理量的高精度、高稳定性测量。

本文将详细图解四个三线传感器的电桥接法及其工作原理。

一、惠斯登电桥的基本原理

一个标准的惠斯登电桥由四个桥臂电阻构成菱形结构。其中两个相对的节点接入激励电压 (V+, V-)，另外两个相对的节点则作为信号差分输出 (Vout+, Vout-)。当四个桥臂的电阻值完全相等时，电桥处于“平衡”状态，输出电压差为零。一旦任何一个或多个桥臂的电阻因外界物理量的变化而改变，电桥就会“失衡”，并在输出端产生一个与电阻变化量成正比的微弱电压信号。

二、三线制传感器的特点

三线制传感器通常包含三根引线，定义如下：

• 红线： 激励电压正极 (Excitation +)
• 黑线： 激励电压负极 (Excitation -)
• 白线： 信号输出 (Signal)

相比两线制，三线制将供电线路和信号线路分开，能有效减少电源噪声对信号的干扰，确保信号传输的稳定性和准确性。

三、电桥构建与接线图解

要构建一个全桥电路，我们需要将四个三线传感器连接起来，如下图所示。

接线步骤详解：

1. 激励电压连接 (V+ / V-): 将所有四个传感器的红线并联在一起，连接到外部的供电电压V+。同样，将所有四个传感器的黑线并联在一起，连接到供电电压V-（通常是GND）。
2. 信号输出连接 (Vout+ / Vout-):
   • 将左上和右下两个传感器的白线连接在一起，作为电桥的信号输出Vout-。
   • 将右上和左下两个传感器的白线连接在一起，作为电桥的信号输出Vout+。

四、工作过程

当激励电压施加后，如果所有传感器未受力（即电阻值相等），电桥平衡，Vout+ 和 Vout- 的电势相等，电压差为零。当有重量或压力施加在传感器上时，其内部应变片的电阻值会发生变化，导致电桥失衡。此时，Vout+ 和 Vout- 之间会产生一个微伏或毫伏级的电压差，这个电压差信号经过放大和处理后，即可精确计算出所测量的物理量。

五、结论：精准测量的基础

理解并正确构建惠斯登电桥，是开发任何高精度测量设备的第一步，尤其是在称重系统和人体成分分析领域。对这些基础物理原理的深刻理解与应用，正是iBodyinfo在设计和制造高精度BIA测量模块时所秉持的核心理念之一，也是我们确保产品性能卓越、数据可靠的基石。