Grundlagen zur Brückenschaltung

Der Messverstärker GSV-2 ist für den Anschluss von Dehnungsmessstreifen (DMS) in einer Wheatstone Brückenschaltung vorbereitet. Durch die Verwendung von Ergänzungsschaltungen können auch einzelne Dehnungsmessstreifen (Viertelbrücke) oder zwei Dehnungsmessstreifen (Halbbrücke) zu einer Vollbrücke ergänzt werden.

Die DMS-Vollbrücke erlaubt die Bestimmung kleinster Dehnungen bei guter Kompensation temperaturbedingter Dehnungen. Die zwei Leitungen U_S dienen der Speisung des DMS. Über die zwei anderen Leitungen wird die Spannung am Ausgang U_D der DMS-Vollbrücke vom GSV-2 ausgewertet. Im üblichen Messbereich von Dehnungsmessstreifen besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Spannung U_D und der Widerstandsänderung bzw. der Dehnung. Der Zusammenhang zwischen der Brückenverstimmung U_D und der Widerstandsänderung DR/R für die Vollbrücke lautet:

U_D/U_S = 1/4 • (DR₁/R₁ - DR₂/R₂ + DR₃/R₃ - DR₄/R₄) (1)

darin bedeuten:

DR/R: Widerstandsänderung
U_D/U_S: Brückenverstimmung U_D pro Speisespannung U_S

Der Zusammenhang zwischen Widerstandsänderung DR/R und Dehnung e wird durch den k-Faktor definiert. Für den aktiven DMS einer Viertelbrücke gilt:

DR₁/R₁ = k •e₁ (2)

mit

k: k-Faktor des DMS, z.B. k = 2 ±0,5%
e: mechanische Dehnung des Bauteils, z.B. e = 1000 µm/m (= 1‰)

Der Zusammenhang zwischen Brückenverstimmung, Speisespannung und Dehnung folgt aus Gleichung (1) und (2):

U_D/U_S = 1/4 • k • (e₁ - e₂ + e₃ - e₄) (3)

Für eine Viertelbrücke gilt wegen e₂ = e₃ = e₄ = 0:

U_D/U_S = 1/4 • k •e₁ (4)

Der GSV-2 zeigt die Brückenverstimmung im Verhältnis zur Speisespannung U_D/U_S an. Die Einheit der Anzeige ist mV/V. Durch die Normierung der Brückenverstimmung U_D auf die Speisespannung U_S werden die Anzeigewerte auf Messverstärkern mit unterschiedlicher Speisespannung U_S unmittelbar vergleichbar. Die Defaulteinstellung der Einheit in der Anzeige des GSV-2 ist daher auch mV/V.

Aus Gleichung (4) erhält man den Zusammenhang zwischen Anzeige U_D/U_S und Dehnung für eine Viertelbrücke:

e₁ = U_D/U_S• 4/k (5)

Bei einem k-Faktor von 2,0 bedeutet eine Anzeige U_D/U_S von 2,0 mV/V (= 0,002 V/V):

0,002 · 4/2,0 = e ₁ = 0,004 = 4‰ = 4000 µm/m

Das mitgelieferte Konfigurationsprogramm ME GSV Control unter Windows enthält ein Konfigurationsfenster für die Spannungsanalyse. Dort können Sie einfach Ihre Messbedingungen eintragen, z.B. Viertelbrücke, k-Faktor=2,05 und Sie erhalten sofort die richtig normierte Messwertanzeige in µm/m.

Vorteile der Dehnungsmessstreifen Brückenschaltung

1.) Bei abgeglichener Brückenschaltung (R1/R2 = R4/R3) ist die Differenzspannung zwischen +U_D und -U_D gleich Null. Da nur Widerstandsänderungen erfasst werden, kann der Messbereich den Erfordernissen angepasst werden. "Die Verstärkung kann beliebig hoch gewählt werden"

2.) Die unterschiedlichen Vorzeichen in Gleichung (3) ermöglichen die Kompensation von Störgrößen.
a) die Temperaturdehnung lässt sich kompensieren: e₁ - e₂ + e₃ - e₄ = 0
b) mechanische Dehnungen, die nicht in der gewünschten Messrichtung liegen, lassen sich kompensieren. Dies kann man ausnutzen, indem man gezielt Dehnungen unterschiedlichen Vorzeichens mit Dehnungsmesstreifen erfasst.
Für jeden Belastungsfall (Biegung, Torsion, Stauchung, Scherung) gibt es Verdrahtungspläne, die nur die Dehnung in einer Messrichtung erfassen.

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