DMS-Verstärker

Lösung der schwierigen Probleme bei der Messung von Dehnungsmessstreifen

Lösung der schwierigen Probleme bei der Messung von Dehnungsmessstreifen

Bei der Prüfung der strukturellen Dauerhaftigkeit und Ermüdung eines Probestücks ist es wichtig, die grundlegenden Variablen zu kennen, die die Messwerte stören können.

8 Tipps, die Sie beim Kauf eines DMS-Verstärkers beachten sollten

Der Dehnungsmessstreifen (DMS) ist eines der wichtigsten Werkzeuge der elektrischen Messtechnik, die zur Messung mechanischer Größen eingesetzt wird. DMS haben endlose Verwendungsmöglichkeiten in strukturellen Test- und Überwachungsanwendungen. Holen Sie das beste Signal aus Ihrem Dehnungsverstärker heraus? Hier sind acht Tipps, die Ihnen dabei helfen, den richtigen Entscheid für einen DMS-Verstärker für Ihr Datenerfassungssystem zu treffen.

 1. Holen Sie das beste Signal aus Ihrem DMS-Verstärker heraus

Zur Optimierung gehören eine einstellbare, möglichst hohe Versorgungsspannung sowie die Verwendung geschirmter und paarweise verdrillter Kabel. Schließlich sollten Sie einen Verstärker mit einem 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler wählen. Eine höhere Auflösung führt zu einem geringeren Quantisierungsrauschen und somit zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Außerdem verwenden Sigma-Delta-ADCs Oversampling, Filterung und Rauschformung, um die höchste Auflösung zu erreichen. Sie können auch kleine Spannungspegel präzise verstärken.

 2. Auf den Messbereich kommt es an

Dehnungsmessstreifen benötigen Messverstärker, um die Low-Level-Messsignale von der Wheatstone-Brücke zu verstärken, bevor sie den A/D-Wandlern zugeführt werden. Die Genauigkeit wird durch den Messbereich, die Stabilität und die Verstärkungsgenauigkeit des Verstärkers beeinflusst. Modernere Messverstärker bieten einstellbare Messbereiche mit einer Verstärkungsgenauigkeit von ± 0,05 %.

 3. Messen Sie die Dehnung, nicht die Temperatur

Die Kompensation einer Temperatur-abhängigen Dehnung ist insbesondere beim Messen mit Einzel-DMS, die sog. DMS-Viertelbrücke eine Herausforderung. Zwei oder drei Einzel-DMS sind auch Bestandteile von DMS-Rosetten, die häufig im Bereich der experimentellen Spannungsanalyse eingesetzt werden.

Zwei gängige Techniken zur Korrektur oder Kompensation von Fehlern aufgrund einer Temperatur-abhängigen Dehnung sind (a) die Verwendung eines unbelasteten DMS zur Kompensation (sog. Dummy-DMS) oder (b) die Anwendung einer rechnerischen Korrektur auf der Grundlage der gemessenen DMS-Temperatur.

Ein Dummy-DMS, appliziert auf dem gleichen (unbelasteten) Material, der zudem der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, eliminiert die Temperatur-abhängige Dehnung sehr effektiv. Im besten Fall kann man einen Dummy-DMS für mehrere Dehnungsmessstellen verwenden (sog. Common-Dummy).

 4. Auswahl der optimalen Brückenspeisespannung

Die thermische Drift durch die Eigenerwärmung des DMS verursacht eine scheinbare Änderung der Dehnung, die nicht tatsächlich auf die Verformung der Probe zurückzuführen ist. Je höher die an den DMS gelieferte Speise- oder Erregerspannung ist, desto mehr Leistung, in Form von Wärme, erzeugt der durch die Drähte fließende Strom. Bei Proben mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Verbundwerkstoffen oder bei der Verwendung von sehr kleinen Dehnungsmessstreifen, ist die Verringerung der Speisespannung oder die Verwendung eines Dehnungsmessstreifens mit höherem Widerstand von entscheidender Bedeutung. Die Brückenspeisespannung sollte also für den jeweiligen Anwendungsfall einstellbar sein!

 5. Achten Sie auf die Stabilität des Brückenergänzungswiderstandes

Egal, ob es sich um einen Ermüdungstest oder eine Anwendung zur Überwachung des Strukturzustands handelt, eine Dehnungsmesskampagne kann über mehrere Wochen bis hin zu mehreren Monaten laufen. Oft bei Tag und Nacht. Schwankungen der Umgebungstemperatur gehören zu den häufigsten Ursachen für Messfehler bei der Verwendung einer Viertelbrückenschaltung. Da der aktive Dehnungsmessstreifen und der passive Brückenergänzungswiderstand in Reihe geschaltet sind, wirkt sich die Widerstandsdrift direkt auf die Messgenauigkeit aus. Eine temperaturbedingte Widerstandsänderung von nur 0,1 % kann zu einer Dehnung von 500 µm/m führen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR), ist einer der führenden Parameter zur Charakterisierung der Stabilität eines Brückenergänzungswiderstands.

Die typische Art den TCR auszudrücken, ist ppm/K, was für Teile pro Million pro 1-Kelvin-Temperaturänderung steht. Allzu oft werden Widerstände mit einem hohen TCR verwendet, um Kosten zu sparen, was zu unerwünschten Fehlern führt oder Sie dazu zwingt, komplexe Temperaturkorrekturkurven zu programmieren.

 6. Vermeiden Sie Messfehler bei langen Kabelwegen

Lange Kabelwege sind manchmal unvermeidlich. Der Widerstand der Zuleitungsdrähte, die einen Dehnungsmessstreifen mit einer Wheatstone-Brücke verbinden, dämpft den Brückenausgang oder “desensibilisiert” den Messstreifen. Je länger die Kabel, desto größer der Effekt. Bei herkömmlichen und vor allem älteren DMS-Verstärkern muss vor Beginn der Messung ein manueller Shunt-Kalibrierungsprozess durchgeführt werden.

Der Shunt-Kalibrierungsprozess bestimmt den Kabeleinfluss und den anschließenden Korrekturfaktor. Obwohl diese Methode weit verbreitet ist, kompensiert sie nicht die Änderungen des Leitungswiderstands während der eigentlichen Messung, z. B. aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur. Eine bewährte Methode zur kontinuierlichen Korrektur des Zuleitungswiderstandes ist die ratiometrische Abtastung des internen Brückenergänzungswiderstandes – die Korrektur erfolgt sogar während der Messung selbst. Eine manuelle Shunt-Kalibrierung ist nicht erforderlich, so dass auch Bedienungsfehler ausgeschlossen sind.

 7. Rauschunterdrückung mit Trägerfrequenztechnik

Gibt es in der Nähe des Messortes Störsignale, vielleicht sogar einen Drehstrommotor? Dies sind bedeutende Quellen für elektrisches Rauschen bei der Messung von Niederspannungssignalen wie Dehnungsmessstreifen oder dehnungsbasierten Sensoren. Trägerfrequenzverstärker bieten in diesen Szenarien einen zusätzlichen Nutzen. TF-Verstärker übertragen selektiv, da nur ein schmales Band der Signalfrequenz übertragen wird. Das sorgt für eine deutlich geringere Empfindlichkeit gegenüber Störungen.

 8. Einsatz von optischen Dehnungsmessstreifen in extremen Umgebungen

Ein optischer Dehnungsmessstreifen oder faseroptischer Dehnungssensor auf Basis eines Fiber-Bragg-Gitters (FBG) bietet eine alternative Methode zur Erfassung hochwertiger Dehnungsmessungen in rauen Umgebungen, die für einen üblichen Dehnungsmessstreifen nicht geeignet sind. Das Hauptmerkmal eines optischen Dehnungsmessstreifens ist, dass er weder Elektrizität noch eine Erregerspannung benötigt, um zu funktionieren. Dies macht ihn für den Einsatz in Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Störungen geeignet. Optische Dehnungsmessstreifen sind von Natur aus galvanisch isoliert.

Weitere technische Informationen über die Verwendung von Dehnungsmessstreifen für die Strukturprüfung und Zustandsüberwachung sowie über Problemlösungen bei der Durchführung von Messungen finden Sie im kostenlosen Whitepaper zum Download.

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