Brückenschaltungen mit Dehnungsmessstreifen

Die Wheatstonesche Brückenschaltung ist die bevorzugte Schaltung zur Messung von Widerständen. Sie kann eingesetzt werden zur absoluten Bestimmung eines Widerstandes oder zur Bestimmung einer Widerstandsänderung.
Letzteres wird im Zusammenhang mit Dehnungsmessstreifen angewandt.

Die Vorteile der Brückenschaltung sind:

• Bei einer abgeglichenen Brückenschaltung ist die Ausgangsspannung 0 Volt. Die Verstärkung kann sehr hoch gewählt werden, um eine feine Auflösung zu erzielen.
• Die Symmetrie der Brückenschaltung wird ausgenutzt,um die thermische Dehnung elektrisch zu kompensieren,
• Die Symmetrie der Brückenschaltung wird ausgenutzt, um unerwünschte mechanische Dehnungen quer zur Messrichtung elektrisch zu kompensieren (Verdrahtungspläne).

Etwas mehr Theorie zur Brückenschaltung finden Sie unter: Theoretische Grundlagen zur Brückenschaltung

Hier finden Sie einen Online Kalkulator zur Berechnung der Dehnung [µm/m] aus der gemessenen elektrischen Spannung [mV/V] einer Brückenschaltung.

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Viertelbrücke

Us: Brückenspeisung Ud: Brückenausgang e: Dehnung k: k-Faktor (ca. 2,0) Ud/Us = 1/4 · (DR1/R1) Ud/Us = 1/4 · k · (e1) Mit einem k-Faktor k=2,0 gilt: 2000 µm/m entsprechen 1 mV/V

Dies ist die meistgebrauchte Schaltung in der Spannungsanalyse.
Der aktive DMS (1) wird durch drei passive Widerstände (2,3,4) zur Vollbrücke ergänzt.

Die Nichtlinearität dieser Schaltung ist für kleine Dehnungen im Bereich bis 1000 µm/m vernachlässigbar.
Bei sehr hohen Dehnungen bis in den Bereich der plastischen Verformung kann der Fehler durch Nichtlinearität 2% und mehr betragen.

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Halbbrücke, 2x Längsdehnung

Us: Brückenspeisung Ud: Brückenausgang e: Dehnung k: k-Faktor (ca. 2,0) Ud/Us = 1/4 · (DR1/R1 - DR2/R2) Ud/Us = 1/4 · k · (e1 - e2) Mit einem k-Faktor k=2,0 gilt: 1000 µm/m entsprechen 1 mV/V

Die aktiven DMS (1,2) werden durch zwei passive Widerstände zur Vollbrücke ergänzt.

Diese Schaltung wird in der Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren angewendet.

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Halbbrücke, 1x Längsdehnung, 1x Querdehnung

Us: Brückenspeisung Ud: Brückenausgang e: Dehnung k: k-Faktor (ca. 2,0) Ud/Us = 1/4 · (DR1/R1 - DR2/R2) Ud/Us = 1/4 · k · (e1 - v · e2) Mit einem k-Faktor k=2,0 und einer Querkontraktionszahl v=0,3 gilt: 1539 µm/m entsprechen 1 mV/V

Der aktive DMS (1) wird durch einen quer angeordneten "Poisson" DMS (2) und zwei passive Widerstände (3,4) zur Vollbrücke ergänzt.

Diese Schaltung wird in der Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren angewendet.

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Vollbrücke, 4x Längsdehnung

Us: Brückenspeisung Ud: Brückenausgang e: Dehnung k: k-Faktor (ca. 2,0) Ud/Us = 1/4 · (DR1/R1 - DR2/R2 + DR3/R3 - DR4/R4) Ud/Us = 1/4 · k · (e1 - e2 + e3 - e4) Mit einem k-Faktor k=2,0 gilt: 500 µm/m entsprechen 1 mV/V

Die Vollbrücke mit 4 aktiven Dehnungsmessstreifen in Längsdehnung ist die bevorzugte Standardschaltung im Sensorenbau. Sie bietet die bestmögliche Kompensation von Temperatureinflüssen und mechanischen Störeinflüssen.

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Vollbrücke, 2x Längsdehnung, 2x Querdehnung

Us: Brückenspeisung Ud: Brückenausgang e: Dehnung k: k-Faktor (ca. 2,0) Ud/Us = 1/4 · (DR1/R1 - DR2/R2 + DR3/R3 - DR4/R4) Ud/Us = 1/4 · k · (e1 - v · e2 + e3 - v · e4) Mit einem k-Faktor k=2,0 und einer Querkontraktionszahl v=0,3 gilt: 769 µm/m entsprechen 1 mV/V

Die zwei gleichsinnigen DMS (1,3) werden durch zwei quer angeordneten DMS (2,4) zur Vollbrücke ergänzt.
Diese Schaltung wird bei Zug-, Druckstäben bevorzugt eingesetzt. Für Präzionssensoren wird oft noch eine Linearisierung mit zusätzlichen Halbleiter-DMS vorgesehen.

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Vollbrücke, 2x Längsdehnung, 2x Querdehnung

Us: Brückenspeisung Ud: Brückenausgang e: Dehnung k: k-Faktor (ca. 2,0) Ud/Us = 1/4 · (DR1/R1 - DR2/R2 + DR3/R3 - DR4/R4) Ud/Us = 1/4 · k · (e1 - e2 + v · e3 - v · e4) Mit einem k-Faktor k=2,0 und einer Querkontraktionszahl v=0,3 gilt: 769 µm/m entsprechen 1 mV/V

Die zwei gegensinnigen DMS (1,2) werden durch zwei quer angeordneten DMS (3,4) zur Vollbrücke ergänzt.

Diese Schaltung wird in der Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren angewendet.