Die Wheatstone’sche Messbrücke (auch Wheatstone-Brücke genannt) ist eine elektrische Brückenschaltung zur hochgenauen Messung von Widerständen und kleinsten Widerstandsänderungen. Sie wird insbesondere dort eingesetzt, wo sich Messgrößen wie Kraft, Dehnung, Druck oder Gewicht als minimale Widerstandsänderungen erfassen lassen.
Zu den wichtigsten Anwendungsgebieten gehören Dehnungsmessstreifen (DMS), Kraftaufnehmer, Wägezellen und Drucksensoren.
Funktionsprinzip der Wheatstone-Brücke
Die Wheatstone-Brücke besteht aus vier Widerständen, die zu zwei Spannungsteilern verschaltet sind. Zwischen den beiden Brückenzweigen wird die sogenannte Brückenspannung beziehungsweise Differenzspannung gemessen.
Im abgeglichenen Zustand gilt:
- Das Verhältnis der Widerstände beider Zweige ist identisch.
- Zwischen den Mittelpunkten der Brücke besteht kein Potenzialunterschied.
- Die gemessene Differenzspannung beträgt 0 Volt.
Verändert sich einer der Widerstände, entsteht eine Spannungsdifferenz, die proportional zur Widerstandsänderung ist.
Diese Änderung kann anschließend präzise ausgewertet werden.
Aufbau einer Wheatstone-Brücke
Eine klassische Wheatstone-Brücke besteht aus:
- Vier Widerständen
- Einer Speisespannung
- Einer Messschaltung zur Erfassung der Differenzspannung
Die Widerstände bilden zwei gegenüberliegende Brückenzweige:
Plain Text
+ USpeisung
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R1 R2
|——|
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R3 R4
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– USpeisung
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Die Differenzspannung wird zwischen den beiden mittleren Knotenpunkten gemessen.
Wheatstone-Brücke mit Dehnungsmessstreifen (DMS)
Besonders häufig wird die Wheatstone-Brücke in Verbindung mit Dehnungsmessstreifen eingesetzt.
Ein Dehnungsmessstreifen ändert seinen elektrischen Widerstand, wenn er:
- gedehnt wird,
- gestaucht wird oder
- mechanischen Kräften ausgesetzt ist.
Da diese Widerstandsänderungen meist sehr klein sind, ermöglicht die Wheatstone-Brücke deren hochpräzise Erfassung.
Typische Anwendungen sind:
- Kraftmessung
- Gewichtsmessung
- Druckmessung
- Materialprüfung
- Strukturüberwachung
- Prüfstandstechnik
Brückenschaltungen in der Messtechnik
Je nach Anzahl der aktiven Sensorelemente werden verschiedene Brückenkonfigurationen eingesetzt:
Viertelbrücke
- Ein aktiver DMS
- Einfacher Aufbau
- Kostengünstig
Halbbrücke
- Zwei aktive DMS
- Höhere Empfindlichkeit
- Bessere Temperaturkompensation
Vollbrücke
- Vier aktive DMS
- Maximale Empfindlichkeit
- Höchste Messgenauigkeit
- Sehr gute Temperaturstabilität
Die Vollbrücke wird häufig in industriellen Kraftaufnehmern und Wägezellen verwendet.
Vorteile der Wheatstone’schen Messbrücke
Die Brückenschaltung bietet zahlreiche Vorteile:
- Hohe Messgenauigkeit
- Erfassung kleinster Widerstandsänderungen
- Gute Störsicherheit
- Hohe Empfindlichkeit
- Temperaturkompensation möglich
- Ideal für DMS-Anwendungen
- Bewährtes Messprinzip in Industrie und Forschung
Deshalb zählt die Wheatstone-Brücke bis heute zu den wichtigsten Messverfahren der Sensor- und Prüftechnik.
Wheatstone-Brücke in Delphin Messsystemen
Die Messdatenerfassungslösungen von Delphin Technology unterstützen die Erfassung unterschiedlichster Sensorsignale, darunter auch DMS-basierte Messaufnehmer für Kraft-, Druck- und Dehnungsmessungen. Die Systeme sind für präzise Messaufgaben in Laboren, Prüfständen und industriellen Anwendungen ausgelegt und ermöglichen die zuverlässige Erfassung sowie Auswertung kleinster Messsignaländerungen.
Der Expert Logger 100 kann Wheatstone-Brückenschaltungen mit einer Speisespannung versorgen. Die entstehende Brückenspannung beziehungsweise Differenzspannung wird dabei relativ zur Speisespannung erfasst und ausgewertet. Dadurch können auch sehr kleine Widerstandsänderungen präzise bestimmt werden, wie sie beispielsweise bei Dehnungsmessstreifen oder Kraftsensoren auftreten.
Typische Einsatzbereiche
Wheatstone-Brücken werden eingesetzt in:
- Dehnungsmessstreifen (DMS)
- Kraftsensoren
- Wägezellen
- Druckaufnehmern
- Materialprüfmaschinen
- Prüfständen
- Maschinenbau
- Fahrzeugtechnik
- Forschung und Entwicklung
- Struktur- und Zustandsüberwachung
Warum ist die Wheatstone-Brücke wichtig?
Viele physikalische Größen lassen sich nur über minimale Widerstandsänderungen erfassen. Die Wheatstone’sche Messbrücke ermöglicht die zuverlässige Umwandlung dieser kleinen Änderungen in präzise messbare Spannungssignale.
Damit bildet sie die Grundlage zahlreicher moderner Sensoren und Messverfahren und ist aus der industriellen Messtechnik, Prüfstandstechnik und Sensorik nicht wegzudenken.