Per misurare la deformazione utilizzando un estensimetro a resistenza incollato, il misuratore deve far parte di un circuito elettrico in grado di rilevare piccole variazioni di resistenza. Un ponte di Wheatstone è un circuito fondamentale utilizzato a questo scopo, che consente la misurazione precisa di minime variazioni di resistenza bilanciando due divisori di tensione. Quando il circuito è in equilibrio, la tensione di uscita è zero, ma quando la deformazione provoca una variazione della resistenza, si verifica uno squilibrio che genera un segnale di tensione misurabile. Ciò rende il ponte di Wheatstone altamente efficace per la misurazione della deformazione, poiché migliora la sensibilità e compensa potenziali fonti di errore come le fluttuazioni di temperatura.
Che cos'è un ponte di Wheatstone?
Un ponte di Wheatstone è un circuito elettrico progettato per misurare con precisione resistenze sconosciute bilanciando due reti di divisori di tensione, comunemente chiamate "gambe", del ponte. Il circuito funziona secondo il principio della deflessione nulla, il che significa che quando il ponte è bilanciato, nessuna corrente attraversa lo strumento di rilevamento.
Configurazione del circuito
Il ponte di Wheatstone è composto da: 
- Quattro resistori disposti a forma di diamante (ponte):
- Due resistenze note (R 1 e R 2)
- Una resistenza regolabile (R 3 – un resistore variabile)
- Una resistenza sconosciuta da misurare (R 4 o R g)
- Una sorgente di tensione continua (V IN) applicata agli angoli opposti del ponte (tra i punti A e C)
- Un galvanometro (o voltmetro) collegato ai punti centrali (B e D)
Come funziona un ponte di Wheatstone?
L'accuratezza di un ponte di Wheatstone dipende dal fatto che il ponte sia bilanciato o sbilanciato. Comprendere queste condizioni è fondamentale per capire come il circuito rileva e misura una resistenza sconosciuta.
Un ponte di Wheatstone bilanciato si verifica quando il rapporto delle resistenze in un ramo del ponte è uguale al rapporto nell'altro ramo. In questo stato, la tensione in entrambi i punti centrali del circuito è la stessa, il che significa che nessuna corrente attraversa il galvanometro (il dispositivo di misurazione). Quando il ponte è bilanciato, la resistenza sconosciuta può essere determinata utilizzando una semplice equazione senza interferenze da fattori esterni, rendendo questo metodo ideale per misurazioni precise.
Un ponte di Wheatstone sbilanciato si verifica quando i rapporti di resistenza non corrispondono, causando una differenza di tensione tra i punti medi. Questo squilibrio provoca il passaggio di corrente attraverso il galvanometro, creando una deflessione misurabile. La direzione e l'ampiezza di questa deflessione indicano la differenza tra i valori di resistenza previsti e quelli effettivi. Regolando una delle resistenze note o analizzando la differenza di tensione, è possibile determinare con precisione la resistenza sconosciuta. Questo stato di squilibrio è utile nelle applicazioni dei sensori, come gli estensimetri o i sensori di temperatura, dove è necessario monitorare continuamente piccole variazioni di resistenza.
The Chevron Bridge Circuit
Il ponte Chevron è una disposizione multicanale che serve a compensare le variazioni delle resistenze dei bracci del ponte commutandole periodicamente. In questo caso, le quattro posizioni dei canali vengono utilizzate per commutare il voltmetro digitale (DVM) tra le configurazioni G-bridge (un misuratore attivo) e H-bridge (due misuratori attivi). Il dispositivo di misurazione DVM condivide sempre l'alimentazione e un H-bridge interno. Questa disposizione è molto diffusa per le misurazioni di deformazione su macchine rotanti, dove consente di ridurre il numero di anelli di contatto necessari.
Perché gli estensimetri necessitano di circuiti a ponte di Wheatstone
Un estensimetro è un sensore che misura la deformazione meccanica convertendo la deformazione (allungamento o compressione) in una variazione della resistenza elettrica. Tuttavia, questa variazione di resistenza è in genere molto piccola, rendendo difficile la misurazione diretta con elevata precisione. È qui che il ponte di Wheatstone svolge un ruolo cruciale.
Utilizzati per misurare le piccole variazioni di resistenza in un estensimetro rilevando gli squilibri di tensione, i circuiti a ponte di Wheatstone misurano le piccole variazioni di resistenza in un estensimetro. Quando l'estensimetro è incorporato in uno o più bracci del ponte, qualsiasi deformazione applicata ne altera la resistenza, interrompendo l'equilibrio del ponte e generando un'uscita di tensione misurabile. Questa variazione di tensione è proporzionale alla deformazione, consentendo un monitoraggio preciso delle forze, delle pressioni e delle deformazioni strutturali.
Utilizzando diverse configurazioni del ponte di Wheatstone (quarto di ponte (un estensimetro), mezzo ponte (due estensimetri) o ponte completo (quattro estensimetri)), è possibile migliorare la sensibilità e la precisione della misurazione. Inoltre, una configurazione a ponte completo può aiutare a compensare le variazioni di temperatura e altri fattori esterni che potrebbero influenzare la resistenza. Questa combinazione di estensimetri e circuiti a ponte di Wheatstone è ampiamente utilizzata in applicazioni industriali quali celle di carico, sensori di pressione e sistemi di monitoraggio dello stato di salute strutturale.
Installazione strategica
I circuiti con estensimetri producono segnali di tensione di basso livello, che spesso richiedono sensibilità di circa 100 microvolt o superiori. Ciò li rende particolarmente sensibili al rumore proveniente dai dispositivi elettrici. Le potenziali fonti di errore includono l'accoppiamento capacitivo dei cavi conduttori che corrono vicino ai cavi di alimentazione CA, l'induzione magnetica da campi magnetici variabili, le resistenze di contatto parassite nei cavi conduttori, i guasti di isolamento e gli effetti termoelettrici alle giunzioni di metalli dissimili. Queste interferenze possono degradare significativamente la qualità del segnale.
Schermatura
Per mitigare le interferenze elettriche e il rumore, è fondamentale implementare una schermatura adeguata. Racchiudendo i cavi di misura all'interno di una schermatura si intercettano le interferenze esterne e si possono ridurre gli errori dovuti al degrado dell'isolamento. La schermatura protegge anche dall'accoppiamento capacitivo. Quando i cavi di misura sono posizionati vicino a fonti di interferenza elettromagnetica, come i trasformatori, la torsione dei cavi aiuta a ridurre al minimo il degrado del segnale dovuto all'induzione magnetica, annullando le correnti indotte. Nelle applicazioni industriali, i cavi di misura intrecciati e schermati sono comunemente utilizzati per mantenere l'integrità del segnale.
Protezione
Oltre alla schermatura, è altrettanto importante proteggere la strumentazione stessa. Una protezione, tipicamente un involucro in lamiera che circonda i circuiti analogici, è collegata alla schermatura per garantire che tutti i componenti abbiano lo stesso potenziale elettrico, impedendo flussi di corrente estranei. Le correnti di terra che fluiscono attraverso l'elemento estensimetrico o i suoi cavi di collegamento possono essere indistinguibili dal segnale di misurazione in un circuito a ponte di Wheatstone. L'implementazione della protezione garantisce che i terminali dei componenti elettrici rimangano allo stesso potenziale, prevenendo così correnti che inducono errori. Inoltre, il collegamento di un cavo di protezione tra il campione di prova e il terminale negativo dell'alimentatore fornisce un percorso alternativo per le correnti che producono errori, garantendo che tutti gli elementi coinvolti siano allo stesso potenziale del campione di prova.
Effetti del filo conduttore
Gli estensimetri sono talvolta montati a una certa distanza dall'apparecchiatura di misurazione. Ciò aumenta la possibilità di errori dovuti a variazioni di temperatura, desensibilizzazione dei cavi e variazioni della resistenza dei cavi conduttori. In un'installazione a due fili, i due cavi sono in serie con l'elemento estensimetrico e qualsiasi variazione della resistenza del cavo (R1) sarà indistinguibile dalle variazioni della resistenza dell'estensimetro (Rg).
Per correggere gli effetti del filo conduttore, è possibile introdurre un terzo cavo aggiuntivo nel braccio superiore del ponte. In questa configurazione, il filo C funge da conduttore di rilevamento senza corrente che lo attraversa, mentre i fili A e B si trovano nei rami opposti del ponte. Questo è il metodo minimo accettabile di cablaggio degli estensimetri a un ponte per annullare almeno in parte l'effetto degli errori dei cavi di prolunga. In teoria, se i cavi di collegamento al sensore hanno la stessa resistenza nominale, lo stesso coefficiente di temperatura e sono mantenuti alla stessa temperatura, si ottiene una compensazione completa. In realtà, i fili sono prodotti con una tolleranza di circa il 10% e l'installazione a tre fili non elimina completamente gli errori a due fili, ma li riduce di un ordine di grandezza. Se si desidera un ulteriore miglioramento, è opportuno prendere in considerazione installazioni a quattro fili e con compensazione dell'offset.
Nelle installazioni a due fili, l'errore introdotto dalla resistenza del filo conduttore è una funzione del rapporto di resistenza R1/Rg. L'errore del cavo di collegamento di solito non è significativo se la resistenza del cavo di collegamento (R1) è piccola rispetto alla resistenza del calibro (Rg), ma se la resistenza del cavo di collegamento supera lo 0,1% della resistenza nominale del calibro, questa fonte di errore diventa significativa. Pertanto, nelle applicazioni industriali, le lunghezze dei cavi di collegamento dovrebbero essere ridotte al minimo o eliminate posizionando il trasmettitore direttamente sul sensore.
Temperatura e fattore di misurazione
I materiali sensibili alla deformazione, come il rame, modificano la loro struttura interna alle alte temperature. La temperatura può alterare non solo le proprietà di un elemento estensimetrico, ma anche quelle del materiale di base su cui è fissato l'estensimetro. Le differenze nei coefficienti di espansione tra il materiale dell'estensimetro e quello di base possono causare variazioni dimensionali nell'elemento sensibile. Pertanto, sarebbe necessario un circuito di compensazione della temperatura.
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Scritto da: Dan Schultz
Aggiornato il: 30 ottobre 2025
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Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026