Hướng dẫn đơn giản về cầu Wheatstone
2026-01-06 8902

Cầu Wheatstone là một mạch điện đơn giản dùng để đo những thay đổi rất nhỏ của điện trở.Cầu Wheatstone được sử dụng với các cảm biến như máy đo biến dạng vì nó có thể biến những thay đổi điện trở nhỏ thành tín hiệu điện áp dễ đo.Nội dung này giải thích cách Cầu Wheatstone hoạt động, cách xây dựng và nơi sử dụng.

Danh mục

Hình 1. Sơ đồ mạch cầu Wheatstone

Cầu Wheatstone là gì?

A Cầu lúa mì là một mạch điện đơn giản dùng để đo điện trở một cách chính xác.Nó so sánh một điện trở chưa biết với các điện trở đã biết khác được kết nối trong một sơ đồ mạch cụ thể.

Khi các điện trở được kết hợp chính xác, mạch được cân bằng và điện áp đầu ra bằng không.Điều kiện cân bằng này cho thấy các giá trị điện trở ở tỷ lệ chính xác.

Nếu điện trở của một bộ phận thay đổi, mạch sẽ mất cân bằng và xuất hiện một điện áp nhỏ ở đầu ra.Bằng cách đo điện áp này hoặc điều chỉnh các điện trở đã biết, có thể tính được điện trở chưa biết.

Cầu Sine Wheatstone có thể phát hiện những thay đổi rất nhỏ về điện trở, Cầu Wheatstone được sử dụng trong các cảm biến như máy đo biến dạng, cảm biến nhiệt độ và cảm biến áp suất.

Thiết kế mạch cầu Wheatstone

Hình 2. Thiết kế mạch cầu Wheatstone

Mạch cầu Wheatstone sử dụng bốn điện trở được kết nối trong một hình kim cương.Một nguồn điện được cấp vào một phía của mạch và điện áp đầu ra được lấy từ phía bên kia.Trong thiết lập cơ bản, ba điện trở có giá trị cố định, trong khi một điện trở không xác định hoặc hoạt động như một cảm biến.Khi tất cả các điện trở được kết hợp chính xác, mạch được cân bằng và điện áp đầu ra bằng không.

Nếu cảm biến hoặc điện trở không xác định thay đổi điện trở, mạch sẽ mất cân bằng và xuất hiện một điện áp nhỏ ở đầu ra.Điện áp này cho biết điện trở đã thay đổi bao nhiêu.Mạch cầu Wheatstone được chế tạo tại thiết kế một phần tư cầu, nửa cầu hoặc toàn cầu và được sử dụng với máy đo biến dạng, cảm biến nhiệt độ và cảm biến áp suất.

Nguyên lý làm việc của cầu Wheatstone

Cầu Wheatstone là một mạch điện giúp chúng ta nhận thấy những thay đổi rất nhỏ trong điện trở.Cầu Wheatstone sử dụng bốn điện trở nối với nhau.

Khi bật nguồn, dòng điện chạy qua các điện trở.Nếu điện trở ở cả hai bên giống nhau thì mạch cân bằng và không xuất hiện điện áp đầu ra.Điều này có nghĩa là mọi thứ đều bình đẳng.

Nếu một điện trở thay đổi, chẳng hạn như khi cảm biến cảm thấy nóng, áp suất hoặc bị uốn cong, mạch sẽ mất cân bằng.Một điện áp nhỏ sau đó xuất hiện ở đầu ra.Sự thay đổi điện trở càng lớn thì điện áp càng lớn.Đó là lý do tại sao cầu Wheatstone được sử dụng trong các cảm biến và thiết bị đo lường.

Cầu Chevron là gì?

Hình 3. Sơ đồ mạch cầu Chevron

A Cầu Chevron là một điều đặc biệt loại mạch điện được sử dụng để đo những thay đổi rất nhỏ của điện trở.Cầu Chevron được áp dụng các máy đo biến dạng và dựa trên Cầu Wheatstone, nhưng được sắp xếp theo cách khác để cho kết quả tốt hơn.

Trong cầu Chevron, các điện trở được nối theo kiểu hoa văn hình chữ V.Mạch thường sử dụng chuyển mạch điện tử để thay đổi cách kết nối các điện trở trong quá trình đo.Điều này giúp giảm lỗi do thay đổi nhiệt độ và cải thiện độ chính xác.

Khi tất cả các điện trở bằng nhau, mạch được cân bằng và điện áp đầu ra bằng không.Khi máy đo biến dạng thay đổi điện trở do lực, sự uốn cong hoặc áp suất, mạch sẽ mất cân bằng và xuất hiện một điện áp nhỏ ở đầu ra.

Cầu Wheatstone cho máy đo biến dạng

Hình 4. Cầu Wheatstone toàn cầu cho máy đo biến dạng

Máy đo biến dạng là một cảm biến phát hiện sự kéo giãn hoặc nén bằng cách thay đổi điện trở của nó.Sự thay đổi này rất nhỏ nên khó có thể đo lường trực tiếp.Cầu Wheatstone được sử dụng để làm cho sự thay đổi nhỏ này dễ đo lường hơn.

Khi máy đo biến dạng được kết nối với Cầu Wheatstone, bất kỳ lực hoặc áp suất nào cũng sẽ thay đổi điện trở của máy đo.Điều này làm cho cây cầu trở nên mất cân bằng và tạo ra một điện áp nhỏ.Kích thước của điện áp này cho thấy mức độ căng thẳng được áp dụng.

Có thể sử dụng các thiết lập cầu khác nhau: cầu một phần tư (một máy đo biến dạng), cầu nửa (hai máy đo biến dạng) và cầu đầy đủ (bốn máy đo biến dạng).Việc sử dụng nhiều máy đo biến dạng sẽ nâng cao độ chính xác và giúp giảm sai sót do thay đổi nhiệt độ.

Lắp đặt cầu Wheatstone

Mạch đo biến dạng cho tín hiệu điện áp rất nhỏ nên dễ bị nhiễu điện.Tiếng ồn này có thể đến từ dây cáp điện, máy móc, kết nối dây kém hoặc lớp cách điện bị hỏng.Những vấn đề này có thể làm cho phép đo sai.

Che chắn

Che chắn giúp bảo vệ tín hiệu khỏi nhiễu.Các dây được bọc bằng một tấm chắn để chặn các tín hiệu điện không mong muốn.Việc xoắn các dây lại với nhau còn giúp giảm tiếng ồn, nhất là khi dây ở gần động cơ hoặc máy biến áp.Vì lý do này, dây xoắn và dây có vỏ bọc được sử dụng trong hệ thống đo biến dạng.

Bảo vệ

Bảo vệ bảo vệ chính mạch đo.Một vỏ kim loại được đặt xung quanh mạch điện và nối với tấm chắn để tất cả các bộ phận có cùng mức điện.Điều này ngăn dòng điện không mong muốn trộn lẫn với tín hiệu thực.Bảo vệ giúp giữ cho phép đo ổn định và chính xác.

Ảnh hưởng của dây chì đến phép đo cầu Wheatstone

Hình 5. Phương pháp nối dây của máy đo biến dạng

Dây dẫn là dây kết nối máy đo biến dạng với Cầu Wheatstone.Những dây này có thể ảnh hưởng đến phép đo nếu chúng không được sử dụng đúng cách.

Dây dẫn có điện trở riêng.Điện trở bổ sung này có thể tăng thêm điện trở của máy đo biến dạng và gây ra kết quả sai, đặc biệt là trong các thiết lập cầu đơn giản.Cây cầu có thể có sự thay đổi ngay cả khi không có lực căng thực sự.

Dây dẫn cũng có thể thu được tiếng ồn điện từ dây cáp điện, động cơ hoặc máy móc gần đó.Nhiễu này có thể gây nhiễu tín hiệu và làm giảm độ chính xác.Sự thay đổi nhiệt độ cũng có thể làm thay đổi điện trở của dây dẫn, có thể làm xáo trộn sự cân bằng của cầu.

Để giảm thiểu những vấn đề này, cần có dây ngắn, cáp xoắn và cáp có vỏ bọc cũng như các phương pháp nối dây đặc biệt như kết nối 3 dây hoặc 4 dây để cải thiện độ chính xác.

Hệ số nhiệt độ và thước đo trong cầu Wheatstone

Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến phép đo Cầu Wheatstone vì nó làm thay đổi điện trở của máy đo biến dạng và dây dẫn, ngay cả khi không tác dụng lực.Điều này có thể gây ra kết quả đọc sai.Sử dụng thiết lập nửa cầu hoặc toàn cầu giúp giảm các hiệu ứng nhiệt độ này.

Hệ số đo cho thấy độ nhạy của máy đo biến dạng.Nó cho biết điện trở thay đổi bao nhiêu khi vật liệu bị kéo căng hoặc bị ép.Hệ số đo cao hơn có nghĩa là tín hiệu mạnh hơn.

Bằng cách sử dụng hệ số đo phù hợp và thiết lập cầu thích hợp, Cầu Wheatstone có thể đưa ra các phép đo biến dạng chính xác.

Ứng dụng của cầu Wheatstone

Máy đo biến dạng – Đo lực, độ uốn và biến dạng

Tải tế bào – Đo trọng lượng và tải trọng chính xác

Cảm biến áp suất - Phát hiện sự thay đổi áp suất

Cảm biến nhiệt độ – đo sự thay đổi điện trở liên quan đến nhiệt độ

Hệ thống thử nghiệm công nghiệp – theo dõi căng thẳng và hành vi vật chất

Giám sát kết cấu – kiểm tra tình trạng của các tòa nhà, cầu và máy móc

Dụng cụ thí nghiệm - Thực hiện các phép đo cơ và điện chính xác

Ưu điểm và nhược điểm của cầu Wheatstone

Ưu điểm của cầu Wheatstone

• Độ chính xác cao khi đo những thay đổi điện trở rất nhỏ

• Rất nhạy, lý tưởng cho các máy đo biến dạng và cảm biến

• Loại bỏ tiếng ồn tốt khi được nối dây và che chắn đúng cách

• Có thể bù nhiệt độ bằng cách sử dụng thiết lập nửa cầu hoặc toàn cầu

• Thiết kế mạch đơn giản, dễ hiểu

• Ứng dụng rộng rãi trong cảm biến tải trọng, cảm biến áp suất và hệ thống kiểm tra

Nhược điểm của cầu Wheatstone

- Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ nếu không được bù đắp đúng cách

- Điện trở dây dẫn có thể gây ra lỗi trong các thiết lập đơn giản

- Điện áp ra thấp, thường cần dùng amply

- Nhạy cảm với nhiễu điện mà không cần che chắn

- Cần nhiều linh kiện hơn so với phép đo điện trở đơn giản

Mạch cầu Wheatstone chủ động và thụ động

Cầu Wheatstone đang hoạt động sử dụng các cảm biến như máy đo biến dạng, do đó điện trở thay đổi khi lực hoặc áp suất thay đổi và điện áp đầu ra cũng thay đổi.Cầu Wheatstone thụ động chỉ sử dụng điện trở cố định nên điện trở không tự thay đổi.Cầu chủ động được sử dụng trong các cảm biến, trong khi cầu thụ động dùng để đo hoặc so sánh điện trở.

tính năng	Đang hoạt động Cầu lúa mì	Bị động Cầu lúa mì
Thành phần chính	Bao gồm cảm biến (ví dụ: máy đo biến dạng)	Chỉ sử dụng cố định điện trở
Thay đổi điện trở	Tự động thay đổi với lực, áp suất hoặc nhiệt độ	Không thay đổi trừ khi điều chỉnh bằng tay
Hành vi đầu ra	Điện áp đầu ra thay đổi với hiệu ứng đo được	Chỉ thay đổi đầu ra khi điện trở được điều chỉnh
Mục đích	Cảm biến và đo lường	Kháng cự đo lường và hiệu chuẩn
Độ nhạy	Cao	Thấp
Ứng dụng phổ biến	Loadcell, áp suất cảm biến, đo biến dạng	Đo lường không xác định điện trở, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

Kết luận

Cầu Wheatstone là một mạch chính xác và đáng tin cậy để đo sự thay đổi điện trở.Nó được tìm thấy rộng rãi trong các máy đo biến dạng, cảm biến tải trọng và cảm biến áp suất.Với thiết lập và nối dây phù hợp, nó có thể đưa ra các phép đo rõ ràng và chính xác trong nhiều ứng dụng.