Sensoren und DMS

Wie wird der Sensor eingebaut?

Die Einbaulage des Sensors spielt eigentlich keine Rolle.
Die Kraft (oder das Drehmoment) wird an einem Ende des Sensors eingeleitet, am anderen Ende hat der Sensor ein Widerlager, das heißt, die Kraft oder Drehmoment wird dort aufgenommen.

Bei kleinen Messbereichen ist es sinnvoll, den Kabelabgang an der nicht bewegten Seite des Sensors anzuordnen. Sonst könnte die Bewegung des Kabels eine Kraft- oder ein Drehmomentanzeige verursachen.

Bei Wägezellen kann es dagegen sinnvoll sein, die Seite mit dem Kabelabgang z.B. am Fuß eines Behälters zu befestigen. Dann wird zwar das Ende mit dem Kabel bewegt (um wenige Zehntel-Millimeter), aber man kann einen Elastomerlager-Fuß auf den Boden stellen und die Wägezelle ist oft besser geschützt gegen Wasser und Feuchte.

Welche Speisespannung soll für den Sensor verwendet werden?

Für die richtige Speisespannung sorgt der Messverstärker. Bei den meisten Messverstärkern beträgt sie 5V DC.

10V Speisespannung können bei Ultraminiatur-Sensoren mit 350 Ohm schon zu viel sein, weil die Verlustwärme nicht abgeführt werden kann.

Der Fehler durch Eigenerwärmung ist in der Regel größer als der Gewinn an Signal gegenüber dem Rauschen, wenn die Speisespannung mehr als 5V beträgt.

Bitte die Sensor-Speisespannung nicht verwechseln mit der Versorgungsspannung des Messverstärkers!

Wie fein kann man den Messbereich auflösen?

Wenn mit "Auflösung" etwa der "kleinste Anzeigeschritt" gemeint ist, kann man die Frage mit der Rauschamplitude des Messverstärkers beantworten. Ein guter Messverstärker sollte den Messbereich von 0...+2 mV/V in wenigstens 10.000 ablesbaren Anzeigeschritten auflösen ("Resolution in Steps"). Das bedeutet, die Rauschamplitude ist kleiner als 2mV/V / 10000 = 200 nV/V.

Bei einem Sensor mit Nennkraft 100N und 2 mV/V Ausgangssignal kann man also 0,01N gerade noch ablsesen, erst die dritte Nachkommastelle wird schwanken.

Auflösung heißt aber nicht Genauigkeit: Durch temperaturbedingte Drift oder durch Nullpunktrückkehrfehler oder Kriechfehler kann die Anzeige nach einigen Sekunden oder nach einem Belastungszyklus um mehr als 0,01 N abweichen.

Die Auflösung des Messverstärkers ist eine Funktuion der Datenfrequenz, und somit abhängig von der Filterung der Messdaten. Mit höherer Datenfrequenz erhöht sich die Rauschamplitude. Näherungsweise bedingt die 10-fache Datenfrequenz eine 3-fache Rauschamplitude. Das ist der gleiche Effekt wie bei analogen Tiefpassfiltern.

Ebenso wird die Rauschamplitude durch die Kabelverlegung und die Einstreuung von Störsignalen in Kabel und Zuleitungen beeinflusst.

Kann man den Messbereich des Messverstärkers anpassen?

Messverstärker für Dehnungsmessstreifen Brückenschaltungen haben einen voreingestellten Messbereich, der in der Regel optimal zu handelüblichen Kraftsensoren oder Drehmomentsensoren passt. Amweitesten verbreitet sind Messverstärker mit einem Messbereich von +- 2 mV/V, weil viele Kraftsensoren ein Ausgangssignal in der Größenordnung von 2 mV/V oder sogar genau 2 mV/V aufweisen.

Einige Messverstärker haben einen größeren Messbereich von z.B. 3.5 mV/V, wieder andere einen Messbereich von 7 mV/V oder sogar 10 mV/V.

Das liegt daran, dass es einige (wenige) Kraftsensoren mit einem größeren Ausgangssignal von z.B. 3 mV/V bei Nennkraft gibt. Einige Sensoren, die mit Halbleiter Dehnungsmessstreifen bestückt sind, haben einen Messbereich von 7 bis (in wenigen Einzelfällen) sogar 10 mV/V. In diesen Fällen wird ein Messverstärker mit einem größeren Messbereich benötigt.

In einigen Dokumenten wird die Bezeichnung "Eingangsempfindlichkeit" als Synomym für "Messbereich" verwendet.

Bei einigen Messverstärkern, insbesondere bei Messverstärkern mit Analogausgang, kann man den Messbereich in Stufen anpassen: 2 mV/V, 1 mV/V, 0.5 mV/V, 0.2 mV/V oder eventuell sogar "stufenlos" mit einem 10 Gang Potentiometer. Die Anpassung hat den Effekt, dass ein Sensor mit einem Ausgangssignal von nur 1 mV/V mit dieser Anpassung auch ein analoges Ausgangssignal von z.B. 10V oder 20mA liefert.

Verbessert die Anpassung des Messbereichs die Genauigkeit?

Nein. Ein kleinerer Messbereich bedeutet nichts anderes, als eine höhere Verstärkung. Eine Verdopplung der Verstärkung führt auch zu einer Verdopplung der Rauschamplitude. Die "Auflösung" bleibt gleich.

Bei einem Verstärker mit Analoausgang kann man noch argumentieren, dass sich der "Störabstand" verbessert, wenn man Signale mit größerer Amplitude überträgt. Allerdings gibt es auch viele andere Maßnahmen, um den Störabstand wirkungsvoller an der "Wurzel" zu verbessern:

Zum Beispiel durch die richtige Masseführung ("Sternpunkt" unmittelbar vor dem Eingang des Messumformers), paarig verdrillte Leitungen, richtiges Schirmkonzept 8einseitiges Auflegen z.B. nur am Sternpunkt oder alternativ nur am Sensor), getrennte Netzteile für Aktorik und Sensorik, getrennte Kabelkanäle für Sensorik und Aktorik, ein nicht zu hoher Eingangswiderstand am A/D Umformer, usw... Geht man davon aus, dass der A/D Umformer eine Auflösung von 16 Bit aufweist, dann ist die Rauschamplitude des Ausgangssignals am Messverstärker in der Regel größer als die Auflösung des A/D Umformers. Bei einem 12 Bit A/D Umformer kann die Anpassung des Messbereichs einen Vorteil bedeuten.

Bei einem Messverstärker mit digitaler Schnittstelle entfällt das Argument für einen vergrößerten Störabstand, da der A/D Umformer im Messverstärker integriert ist. Die Vergrößerung der Verstärkung ändert dann nichts an der absoluten Auflösung. Daher bieten wir keine Messverstärker GSV-3USB oder GSV-4USB mit einem Messbereich von 1 mV/V an.

 

Verbessert die Anpassung der Brückenspeisespannung die Genauigkeit?

Kommt darauf an:

Einerseits gilt, dass man bei einer Dehnungsmessstreifen Brückenschaltung mit einer höheren Brückenspeisespannung ein höheres Ausgangssignal bekommt, und damit eine geringere Verstärkung benötigt. Damit verringert sich die Rauschamplitude, denn für die Rauschamplitude ist vor allem der analoge Verstärker vor einem A/D Umsetzer verantwortlich.

Andererseits sorgt die Brückenspeisespannung für eine Eigenerwärmung der Dehnungsmessstreifen-Messgitter. Eine zu hoch gewählte Speisespannung sorgt in der Regel für unterschiedliche und unstabile Temperaturen an den Messgittern, was zu starker Einschaltdrift, aber auch zu ständigen, niederfrequenten Schwankungen im Ausgangssignal führen kann. Auch der Widerstand der einzelnen Dehnungsmessstreifen hat einen Einfluss auf die Eigenerwärmung. Vorteilhaft mit den am weitestesten verbreiteten Dehnungsmessstreifen 350 Ohm sind daher 5V bei 3 mm Gitterlänge, aber auch 2.5V bei 350 Ohm und 1.5mm oder 1 mm Gitterlänge (Miniatursensoren). Auch der Messbereich des Sensors kann einen Einfluss auf die optimal einzustellende Speisespannung haben. Sensoren mit kleinen Messbereichen, wie z.B. 2N oder 1N bieten wenig "Kühlkörper" für den Dehnungsmessstreifen.

Bei den Messverstärkern GSV-2 und GSV-8 lässt sich die Brückenspeisespannung einstellen, und damit verändert sich der Messbereich. Die Verstärkung bleibt bei diesem Messsverstärkern unverändert.

Eine niedrige Brückenspeisespannung ist in der Regel ein Zeichen für qualitativ hochwertige analoge Bauteile.