电桥电路传感器激励与零点调整¶
难度：🟡 中级 | 领域：传感器接口 | 阅读时间：约 14 分钟
日常类比¶
杆秤移动秤砣直到秤杆水平——惠斯通电桥四臂平衡时差分输出为零。制造公差与温漂像偷偷加的小砝码；零点调整是把秤杆调平，激励则是底座稳不稳[1][2]。
摘要¶
对比 1/4、半桥、全桥，电压/电流激励与比例测量，零点（电位器/DAC/软件）与温补、三/四线制，以及 INA 前端要点。mV/V 与误差数字为量级，随传感器规格与布线变化[3][4]。
1. 配置与激励¶
平衡条件：对角乘积相等则 \(V_o\approx 0\)。小信号下灵敏度随有效传感臂数增加（全桥最高）[1]。
| 配置 | 灵敏度倾向 | 温补 | 场景 |
|---|---|---|---|
| 1/4 桥 | 低 | 无自补偿 | 低成本 |
| 半桥 | 中 | 部分 | 弯梁等 |
| 全桥 | 高 | 同温场自补偿 | 称重/压力 |
| 激励 | 优先场景 |
|---|---|
| 电压 | 短线应变/称重，易做比例测量 |
| 电流 | 长线、RTD、多路切换 |
比例测量：ADC \(V_{\mathrm{ref}}\) 与 \(V_{\mathrm{ex}}\) 同源，激励波动在比值中抵消[3][5]。
2. 零点、温补与引线¶
偏移来源：臂阻公差、TCR 失配、安装应力、引线、时效。
| 调零 | 稳定性 | 动态范围 |
|---|---|---|
| 电位器 | 较差 | 可释放 ADC 量程 |
| DAC 注入 | 较好 | 可释放量程 |
| 软件减偏移 | 优 | 仍占用码字 |
工程上常硬件粗调 + 软件精调。温补：全桥同温自补偿、串并联温补电阻、或测温多项式。引线：二线无补偿；三线降大部分误差；四线（Kelvin）近乎消除压降误差[2][6]。
3. 放大与噪声¶
差分小信号经仪表放大器（INA）放大；增益按满量程输出对齐 ADC，并留裕量。注意供电抑制、屏蔽与同步采样；开关激励可抑制失调与部分 1/f，但需时序配合[4][7]。
4. 局限、挑战与可改进方向¶
1. “全桥自补偿”在温度梯度下失效¶
局限：四臂不同温时输出随温度漂。 改进：机械上保证同温；加本地温度传感器做残差补偿[2][8]。
2. 仅软件调零吃掉量程¶
局限：大偏移时有效分辨率下降。 改进：DAC/电位器粗调进中点，再软件细调[3][5]。
3. 长线电阻与共模干扰¶
局限：数十米线阻可占满精度预算。 改进：三/四线制；屏蔽双绞；电流激励评估[6][9]。
4. 激励自热改变读数¶
局限：应变片/RTD 功耗改变温度。 改进：降低激励、脉冲激励、标定含自热稳态[4][10]。
5. 实践要点¶
- 先选桥型与激励，再定 INA 增益与 ADC 参考拓扑。
- 校准流程写清：零点、跨度、温度点。
- 布线对称，激励与参考共点。
参考文献¶
[1] Wheatstone bridge theory in sensor handbooks (Omega / Vishay class). [2] Vishay / Micro-Measurements, strain gage temperature compensation notes. [3] TI / ADI ratiometric measurement and bridge ANs. [4] INA128 / INA333 / AD620 instrumentation amplifier datasheets. [5] HX711 and bridge ADC ratiometric reference designs. [6] IEC / ASTM practices for multi-wire RTD connections (3-wire/4-wire). [7] Kester, W., Analog Devices sensor signal conditioning materials. [8] Load-cell temperature effect and span compensation guides. [9] Cable resistance and EMI in industrial weighing systems. [10] Self-heating errors in resistive sensors application notes. [11] DAC offset injection calibration architectures. [12] Kelvin sensing for remote bridge excitation.