Um die Dehnung mit einem geklebten Widerstandsmessstreifen Dehnungsmessstreifen zu messen, muss der Messstreifen Teil eines Stromkreises sein, der kleine Widerstandsänderungen erkennen kann. Eine Wheatstone-Brücke ist ein grundlegender Stromkreis, der für diesen Zweck verwendet wird und durch den Ausgleich zweier Spannungsteiler eine Präzision bei der Messung kleinster Widerstandsänderungen ermöglicht. Befindet sich der Stromkreis im Gleichgewicht, ist die Ausgangsspannung gleich Null. Verursacht eine Dehnung jedoch eine Widerstandsänderung, entsteht ein Ungleichgewicht, das ein messbares Spannungssignal erzeugt. Dadurch eignet sich die Wheatstone-Brücke hervorragend für die Dehnungsmessung, da sie die Empfindlichkeit erhöht und potenzielle Fehlerquellen wie Temperaturschwankungen kompensiert.
Was ist eine Wheatstone-Brücke?
Eine Wheatstone-Brücke ist ein elektrischer Schaltkreis, der dazu dient, unbekannte Widerstände mit Präzision zu messen, indem zwei Spannungsteiler-Netzwerke – allgemein als „Arme“ bezeichnet – der Brücke ausgeglichen werden. Der Schaltkreis funktioniert nach dem Prinzip der Nullpunktabweichung, d. h. wenn die Brücke ausgeglichen ist, fließt kein Strom durch das Messgerät.
Schaltkreisaufbau
Die Wheatstone-Brücke besteht aus: 
- Vier Widerstände, die in einer Rautenform (Brücke) angeordnet sind:
- Zwei bekannte Widerstände (R 1 und R 2)
- Ein einstellbarer Widerstand (R 3 – ein variabler Widerstand)
- Ein zu messender unbekannter Widerstand (R 4 oder R g)
- Eine Gleichspannungsquelle (V IN), die an den gegenüberliegenden Ecken der Brücke (zwischen den Punkten A und C) angelegt wird
- Ein Galvanometer (oder Voltmeter), das an den Mittelpunkten (B und D) angeschlossen ist
Wie funktioniert eine Wheatstone-Brücke?
Die Genauigkeit einer Wheatstone-Brücke hängt davon ab, ob die Brücke ausgeglichen oder unausgeglichen ist. Das Verständnis dieser Bedingungen ist entscheidend dafür, wie der Schaltkreis einen unbekannten Widerstand erkennt und misst.
Eine ausgeglichene Wheatstone-Brücke liegt vor, wenn das Verhältnis der Widerstände in einem Schenkel der Brücke dem Verhältnis im anderen Schenkel entspricht. In diesem Zustand ist die Spannung an beiden Mittelpunkten des Schaltkreises gleich, was bedeutet, dass kein Strom durch das Galvanometer (das Messgerät) fließt. Wenn die Brücke symmetrisch ist, kann der unbekannte Widerstand mit einer einfachen Gleichung ohne Störung durch externe Faktoren bestimmt werden, was diese Methode ideal für Präzision bei Messungen macht.
Eine unsymmetrische Wheatstone-Brücke liegt vor, wenn die Widerstandsverhältnisse nicht übereinstimmen, was zu einer Spannungsdifferenz zwischen den Mittelpunkten führt. Diese Unsymmetrie bewirkt, dass ein Strom durch das Galvanometer fließt und eine messbare Auslenkung erzeugt. Die Richtung und Größe dieser Auslenkung geben die Differenz zwischen den erwarteten und den tatsächlichen Widerstandswerten an. Durch Anpassen eines der bekannten Widerstände oder Analysieren der Spannungsdifferenz kann der unbekannte Widerstand genau bestimmt werden. Dieser unausgeglichene Zustand ist nützlich in Sensoranwendungen wie Dehnungsmessstreifen oder Temperatursensoren, bei denen kleine Widerstandsänderungen kontinuierlich überwacht werden müssen.
Die Chevron-Brückenschaltung
Die Chevron-Brücke ist eine Mehrkanalanordnung, die dazu dient, die Änderungen der Brückenarmwiderstände durch periodisches Umschalten auszugleichen. Hier werden die vier Kanalpositionen verwendet, um das digitale Voltmeter (DVM) zwischen G-Brücken- (ein aktives Messgerät) und H-Brücken-Konfigurationen (zwei aktive Messgeräte) umzuschalten. Das DVM-Messgerät teilt sich immer die Stromversorgung und eine interne H-Brücke. Diese Anordnung ist besonders beliebt für Dehnungsmessungen an rotierenden Maschinen, wo sie die Anzahl der erforderlichen Schleifringe reduzieren kann.
Warum Dehnungsmessstreifen Wheatstone-Brückenschaltungen benötigen
Ein Dehnungsmessstreifen ist ein Sensor, der mechanische Verformungen misst, indem er Dehnungen (Dehnung oder Kompression) in eine Änderung des elektrischen Widerstands umwandelt. Diese Widerstandsänderung ist jedoch in der Regel sehr gering, sodass eine direkte Messung mit hoher Präzision schwierig ist. Hier spielt die Wheatstone-Brücke eine entscheidende Rolle.
Wheatstone-Brückenschaltungen dienen zur Messung kleiner Widerstandsänderungen in einem Dehnungsmessstreifen, indem sie Spannungsungleichgewichte erkennen. Wenn der Dehnungsmessstreifen in einen oder mehrere Arme der Brücke integriert ist, verändert jede aufgebrachte Dehnung seinen Widerstand, wodurch das Gleichgewicht der Brücke gestört wird und eine messbare Ausgangsspannung erzeugt wird. Diese Spannungsänderung ist proportional zur Dehnung, wodurch Kräfte, Drücke und strukturelle Verformungen mit Präzision überwacht werden können.
Durch die Verwendung verschiedener Wheatstone-Brückenkonfigurationen – Viertelbrücke (ein Dehnungsmessstreifen), Halbbrücke (zwei Dehnungsmessstreifen) oder Vollbrücke (vier Dehnungsmessstreifen) – können die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung verbessert werden. Darüber hinaus kann eine Vollbrückenkonfiguration dazu beitragen, Temperaturschwankungen und andere externe Faktoren, die den Widerstand beeinflussen könnten, auszugleichen. Diese Kombination aus Dehnungsmessstreifen und Wheatstone-Brückenschaltungen wird häufig in industriellen Anwendungen wie Wägezellen, Drucksensoren und Strukturüberwachungssystemen eingesetzt.
Strategische Installation
Dehnungsmessstreifenschaltungen erzeugen Spannungsignale mit niedrigem Pegel, die oft eine Empfindlichkeit von etwa 100 Mikrovolt oder besser erfordern. Dadurch sind sie besonders anfällig für Störungen durch elektrische Geräte. Mögliche Fehlerquellen sind kapazitive Kopplung von Anschlussdrähten, die in der Nähe von Wechselstromkabeln verlaufen, magnetische Induktion durch variable Magnetfelder, parasitäre Kontaktwiderstände in Anschlussdrähten, Isolationsfehler und thermoelektrische Effekte an Verbindungsstellen unterschiedlicher Metalle. Diese Störungen können die Signalqualität erheblich beeinträchtigen.
Abschirmung
Um elektrische Störungen und Rauschen zu mindern, ist die Implementierung einer geeigneten Abschirmung von entscheidender Bedeutung. Das Umschließen der Messleitungen mit einer Abschirmung fängt externe Störungen ab und kann Fehler aufgrund von Isolationsverschlechterungen reduzieren. Die Abschirmung schützt auch vor kapazitiver Kopplung. Wenn Messleitungen in der Nähe von Quellen elektromagnetischer Störungen, wie z. B. Transformatoren, verlegt werden, hilft das Verdrillen der Leitungen, die Signalverschlechterung aufgrund magnetischer Induktion zu minimieren, indem induzierte Ströme aufgehoben werden. In industriellen Anwendungen werden häufig verdrillte und abgeschirmte Messleitungen verwendet, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten.
Abschirmung
Neben der Abschirmung ist die Abschirmung der Messgeräte selbst ebenso wichtig. Eine Abschirmung, in der Regel ein Blechgehäuse, das die analogen Schaltkreise umgibt, wird mit der Abschirmung verbunden, um sicherzustellen, dass alle Komponenten das gleiche elektrische Potenzial haben, wodurch Fremdströme verhindert werden. Erdströme, die durch das Dehnungsmessstreifenelement oder dessen Anschlussdrähte fließen, können in einer Wheatstone-Brückenschaltung nicht vom Messsignal unterschieden werden. Durch die Implementierung einer Abschirmung wird sichergestellt, dass die Anschlüsse der elektrischen Komponenten auf dem gleichen Potential bleiben, wodurch fehlerverursachende Ströme verhindert werden. Darüber hinaus bietet der Anschluss einer Abschirmleitung zwischen dem Prüfling und dem Minuspol der Stromversorgung einen alternativen Pfad für fehlerverursachende Ströme und stellt sicher, dass alle beteiligten Elemente auf dem gleichen Potential wie der Prüfling liegen.
Auswirkungen der Anschlussdrähte
Dehnungsmessstreifen werden manchmal in einiger Entfernung vom Messgerät montiert. Dies erhöht die Fehlerwahrscheinlichkeit aufgrund von Temperaturschwankungen, einer Desensibilisierung der Anschlussdrähte und Änderungen des Widerstands der Anschlussdrähte. Bei einer Zweileiter-Installation sind die beiden Leitungen mit dem Dehnungsmessstreifenelement in Reihe geschaltet, und jede Änderung des Leitungswiderstands (R1) ist nicht von Änderungen des Widerstands des Dehnungsmessstreifens (Rg) zu unterscheiden.
Um die Auswirkungen der Anschlussleitungen zu korrigieren, kann eine zusätzliche dritte Leitung am oberen Arm der Brücke angebracht werden. In dieser Konfiguration fungiert der Draht C als Messleitung, in der kein Strom fließt, und die Drähte A und B befinden sich in den gegenüberliegenden Armen der Brücke. Dies ist die minimal akzeptable Methode zur Verdrahtung von Dehnungsmessstreifen an einer Brücke, um zumindest einen Teil der Auswirkungen von Verlängerungsdrahtfehlern auszugleichen. Theoretisch wird eine vollständige Kompensation erreicht, wenn die Anschlussdrähte zum Sensor den gleichen Nennwiderstand und den gleichen Temperaturkoeffizienten haben und auf der gleichen Temperatur gehalten werden. In der Realität werden Drähte mit einer Toleranz von etwa 10 % hergestellt, und eine Dreileiterinstallation beseitigt Zweileiterfehler nicht vollständig, reduziert sie jedoch um eine Größenordnung. Wenn eine weitere Verbesserung gewünscht wird, sollten Vierleiter- und offsetkompensierte Installationen in Betracht gezogen werden.
Bei Zweileiterinstallationen ist der durch den Widerstand der Anschlussdrähte verursachte Fehler eine Funktion des Widerstandsverhältnisses R1/Rg. Der Leitungsfehler ist in der Regel nicht signifikant, wenn der Leitungswiderstand (R1) im Vergleich zum Messwiderstand (Rg) gering ist. Wenn der Leitungswiderstand jedoch 0,1 % des Nennmesswiderstands überschreitet, wird diese Fehlerquelle signifikant. Daher sollten in industriellen Anwendungen die Leitungen minimiert oder ganz vermieden werden, indem der Transmitter direkt am Sensor angebracht wird.
Temperatur und Messfaktor
Dehnungsmessende Materialien wie Kupfer verändern bei hohen Temperaturen ihre innere Struktur. Die Temperatur kann nicht nur die Eigenschaften eines Dehnungsmessstreifens verändern, sondern auch die Eigenschaften der Materialien, auf denen der Dehnungsmessstreifen angebracht ist. Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Messstreifen und den Materialien können zu Maßänderungen im Sensor-Element führen. Daher wäre eine Temperaturkompensationsschaltung erforderlich.
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Verfasst von: Dan Schultz
Aktualisiert am: 30. Oktober 2025
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Written by: Dan Schultz
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