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Wenn man einen elektrischen Leiter dehnt, ändert sich sein Widerstand. Der Leiter wird nämlich länger und dünner, damit der Widerstand größer. Nichts anderes ist ein Dehnungsmessstreifen (DMS).
Auf einer kleinen Trägerfolie wird mäanderförmig ein metallischer Leiter aufgebracht, der gedehnt und gestaucht werden kann.
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Durch den mäanderförmig angeordneten Leiter ist der DMS in einer Raumrichtung besonders empfindlich, in den anderen Raumrichtungen nicht.
Wenn man diesen Dehnungsmessstreifen auf einen Metallstab klebt, kann man anhand der Widerstandsänderung des DMS erkennen, wie weit und in welche Richtung der Metallstab verbogen wird. Diese Verbiegung soll im elastischen Bereich des Metallstabs und des DMS bleiben, damit keine bleibende Verformung auftritt und die Messanordnung reversibel bleibt.
Demzufolge sind die Widerstandsänderungen im Verhältnis zum Normalwiderstand des DMS sehr klein. Zur Auswertung ist eine hohe Signalverstärkung erforderlich.
Zur Auswertung muss die Änderung des Widerstandwertes gemessen werden. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten, einfache und aufwendige.
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Im einfachsten Fall bildet man einen Spannungsteiler aus einem DMS und einem konstanten Widerstand (Wert wie DMS) und legt diese Reihenschaltung an eine Referenzspannung. Mit einem weiteren Spannungsteiler aus konstanten Widerständen wird die Bezugsspannung für die Messung gebildet. Nachteil: Temperatureffekte des DMS verfälschen das Messergebnis.
Etwas besser ist ein Spannungsteiler aus zwei DMS, von denen einer gedehnt wird, während der andere gestaucht wird (auf dem Metallstab gegenüberliegend). Das Messsignal verdoppelt sich, während sich die Temperatureffekte der DMS kompensieren.
Am besten sind zwei Spannungsteiler aus vier DMS, von denen zwei gedehnt werden, während die anderen beiden gestaucht werden (auf dem Metallstab je zwei gegenüberliegend). Das Messsignal verdoppelt sich noch einmal, während sich die Temperatureffekte der DMS kompensieren. Gemessen wird die Differenzspannung der beiden Spannungsteiler, die in Ruhelage des Metallstabs fast Null ist (Toleranzen der vier DMS ergeben nur eine sehr kleine Offsetspannung).
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Der hier vorgestellte Messverstärker ist in der Lage, sehr kleine Signalspannungen rauscharm hoch zu verstärken.
Und das bei einer beachtlichen Bandbreite.
Eine Einrichtung zur Kompensation der Offsetspannung ist vorhanden.
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Frequenzbereich:
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DC bis 1000 Hz bei A = 1 bis 10.000 (Filter)
DC bis 500 Hz bei A = 100.000 bis 1.000.000
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Verstärkung:
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1, 10, 100, 1.000, 10.000, 100.000, 1.000.000
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Eingangswiderstand:
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10 GOhm
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max. Ausgangsspannung:
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±12 V
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Eingangsrauschen:
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ca. -140 dB (bei A = 10.000)
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Versorgungsspannung:
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±15 V stabilisiert
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Anwendungsbeispiele:
1. Messung der Kraft eines Antriebs:
Ein Antrieb fährt vor eine elastische Anordnung (z.B. Metallstab wie oben beschrieben) und verbiegt diese. Mit dem DMS kann die Kraft des Antriebs über die Verformung der elastischen Anordnung gemessen werden.
Wenn man das Ausgangssignal des DMS-Verstärkers auf dem Oszilloskop betrachtet, kann man zeitliche Änderungen der Kraft, z. B. Schwingen sichtbar machen.
2. Messung des Drehmoments eines Motors:
Der Motor gibt seine Leistung über eine elastische Welle ab. Die Torsion dieser elastischen Welle ist ein Maß für das Drehmoment des Motors. Mit DMS kann die Torsion der elastischen Welle gemessen werden.
Da sich die Welle des Motors (mit den DMS) praktischerweise dreht, müsste man den Verstärker auch in der Welle unterbringen. Jetzt braucht man sich nur noch eines Verfahrens zu bedienen mit dem man die Energie für den Verstärker zur Welle und die Messwerte von der Welle zum Stator verschleißfrei übertragen kann...
3. Personenwaage:
In elektronischen Personenwaagen kommen DMS zum Einsatz, die das Verformen eines metallischen Körpers erfassen, wenn man die Waage belastet.
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Aufbau:
Die Schaltung besteht aus zwei kaskadierten Instrumentenverstärkern des Typ PGA204 von Burr Brown.
Dies sind hochwertige Messverstärker mit einem digital einstellbaren Verstärkungsfaktor von 1, 10, 100 oder 1000.
Die Bauelemente weisen eine hohe Genauigkeit, eine gute Temperaturstabilität und eine geringe Offsetspannung auf.
Sie besitzen einen Eingangsspannungsschutz und eine hohe Gleichtaktunterdrückung der Eingangsspannung.
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Stromversorgung:
Die Versorgungsspannung von ±15 V kommt von einem externen, geregelten Netzteil.
Die Stromaufnahme des gesamten Verstärkers liegt bei 30 mA.
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Messwiderstände:
Im günstigsten Fall baut man aus vier DMS gleichen Typs eine Messbrücke auf. Die diagonal in der Brücke liegenden DMS werden jeweils gemeinsam gedehnt oder gestaucht.
Zur Versorgung der Messbrücke steht eine sehr genaue und stabile Referenzspannung von 2,5 V zur Verfügung. Die Messbrücke ist gegebenenfalls über einen Vorwiderstand an die Referenzspannung zu legen, denn je höher die Versorgungsspannung der Brücke ist, desto höher ist auch das Messsignal. Mit der Höhe der Versorgungsspannung der Brücke steigt aber auch der Brückenstrom und damit die Verlustleistung der Messbrücke. Die Verlustleistung kann die DMS erwärmen und zu unnötigen Messfehlern führen.
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Funktion:
Das zu messende Signal liegt im Bereich einiger Millivolt und gelangt über das Eingangfilter auf den ersten Instrumentenvertärker IC1. Die Verstärkung dieser Stufe kann mit den beiden Jumpern JP1 und JP2 zu 1, 10, 100 oder 1000 eingestellt werden. Zur Kompensation von Offsetspannungen wird eine Spannungsquelle (IC5A) aufgebaut, die aus der Referenzspannung von ±2,5 V eine einstellbare Spannung von -20 mV bis +20 mV liefert. Diese Spannung geht auf den Referenzeingang des ersten Instrumentenverstärkers.
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Als Operationsverstärker kommt hier der Präzisions-OP AD706 von Analog Devices zum Einsatz. Er ist rauscharm und sehr temperaturstabil.
Die Referenzspannung von 2,5 V wird mit einer Präzisions- Spannungsreferenz ADR291 von Analog Devices (IC3) aufgebaut. Sie ist hochgenau, rauscharm und temperaturstabil. Die Spannung dieser Quelle wird mit dem Operationsverstärker AD706 (IC4A) und dem MOSFET D16N05 (Q1) niederimpedant ausgekoppelt. Ein invertierender Verstärker (IC4B) erzeugt aus der positiven Referenzspannung von +2,5 V eine negative Referenzspannung von -2,5 V.
Das Ausgangssignal des ersten Instrumentenvertärkers gelangt über ein Filter auf den zweiten Instrumentenvertärker, der die gleichen Eigenschaften besitzt wie der erste.
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Offset-Abgleich:
Vor dem Offset-Abgleich sollte die Verstärkung für den jeweiligen Fall eingestellt werden.
Dann wird die Ausgangsspannung des Messverstärkers auf 0 mV abgeglichen.
Sollte der Einstellbereich der Offset-Quelle für einen bestimmten Fall nicht ausreichen, so können die Widerstände R11 und R12 in den Spannungsteilern am Offset-Trimmer etwas vergrößert werden.
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Tipps:
Die Schaltung sollte in SMD-Bauweise aufgebaut werden. Es sollte eine zweilagige Leiterplatte verwendet werden, bei der auf beiden Lagen möglichst große Masseflächen gebildet werden, die an mehreren Stellen durchkontaktiert werden.
Obwohl ich die Leiterplatte in ein Kunststoffgehäuse montiert habe, würde ich empfehlen, diese in ein kleines Blechgehäuse zu bauen (wie NoiseAmp) oder das Kunststoffgehäuse mit etwas Aluminiumfolie auszukleiden.
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