Messung von DMS-Signalen
DMS-Signale werden typischerweise über eine Wheatstone-Brücke gemessen. Dabei wird die sehr kleine Widerstandsänderung eines Dehnungsmessstreifens in eine messbare Differenzspannung umgewandelt. Diese Brückenspannung liegt meist nur im Bereich weniger Millivolt und wird als Verhältnis zur Speisespannung in mV/V angegeben.
Dehnungsmessstreifen, kurz DMS, werden zur Messung mechanischer Dehnung eingesetzt. Aus der Dehnung lassen sich je nach Sensoraufbau physikalische Größen wie Kraft, Gewicht, Druck, Drehmoment oder mechanische Belastung ableiten. Typische Anwendungen sind Kraftaufnehmer, Wägezellen, Drucksensoren, Prüfstände, Maschinenüberwachung und mobile Messsysteme.
Da DMS-Signale sehr klein sind, benötigen sie spezielle Messeingänge. Ein klassischer Analogeingang für 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA ist für die direkte Erfassung eines DMS-Signals in der Regel nicht geeignet. Stattdessen werden DMS-Messmodule verwendet, die eine stabile Brückenspeisung bereitstellen, das kleine Differenzsignal erfassen und den Messwert hochauflösend digitalisieren.
Für diese Aufgabe sind Module wie die µCAN.4.sg-BOX vorgesehen. Sie erfasst DMS- beziehungsweise Widerstandsbrücken direkt, stellt die Brückenspeisung bereit und überträgt die digitalisierten Messwerte über den CAN-Bus.
Was ist ein DMS?
Diese Widerstandsänderung ist sehr klein. Deshalb wird ein DMS nicht wie ein gewöhnlicher Widerstandssensor ausgewertet, sondern meist in eine Brückenschaltung eingebunden. Die wichtigste Schaltung für die DMS-Messung ist die Wheatstone-Brücke.
Wie funktioniert die Messung mit einer Wheatstone-Brücke?
Eine Wheatstone-Brücke besteht aus vier Widerständen, die zu zwei Spannungsteilern verschaltet sind. Die Brücke wird mit einer Speisespannung versorgt. Zwischen den Mittelpunkten der beiden Spannungsteiler wird die Brückenspannung gemessen.
Im unbelasteten Zustand ist die Brücke idealerweise abgeglichen. Die Differenzspannung zwischen den beiden Messpunkten ist dann sehr klein oder liegt nahe null. Wird der DMS mechanisch belastet, ändern sich ein oder mehrere Widerstände der Brücke. Dadurch entsteht eine Differenzspannung, die als Messsignal ausgewertet wird.
Die Wheatstone-Brücke hat für die DMS-Messung mehrere Vorteile:
- sie macht sehr kleine Widerstandsänderungen messbar
- sie ermöglicht eine differenzielle Spannungsmessung
- sie reduziert Störeinflüsse bei symmetrischem Aufbau
- sie erlaubt den Aufbau als Vollbrücke, Halbbrücke oder Viertelbrücke
- sie eignet sich für präzise Kraft-, Druck-, Gewichts- und Drehmomentmessungen
Was bedeutet Vollbrücke bei DMS-Signalen?
Bei vielen industriellen DMS-Aufnehmern ist der Sensor als Vollbrücke aufgebaut. Das bedeutet, dass alle vier Brückenzweige der Wheatstone-Brücke als aktive oder funktional wirksame DMS-Elemente ausgeführt sind.
Je nach mechanischem Aufbau werden einzelne DMS gedehnt und andere gestaucht. Dadurch addieren sich die Signalanteile in der Brücke. Das erhöht die Empfindlichkeit und verbessert gleichzeitig die Kompensation von Temperatureinflüssen.
Eine DMS-Vollbrücke bietet typischerweise folgende Vorteile:
- hohe Messempfindlichkeit
- gute Temperaturkompensation
- symmetrisches Brückensignal
- definierte Brückenimpedanz
- hohe Störsicherheit bei differenzieller Messung
- direkter Anschluss an geeignete DMS-Messeingänge
Fertige Kraftaufnehmer, Wägezellen, Druckaufnehmer oder Drehmomentaufnehmer sind häufig bereits als Vollbrücke ausgeführt. Sie können direkt an einen passenden DMS-Messeingang angeschlossen werden.
Was bedeutet mV/V bei einem DMS?
Das Ausgangssignal eines DMS-Aufnehmers wird häufig in mV/V angegeben. Diese Einheit beschreibt das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Speisespannung der Brücke.
Ein Kennwert von 2 mV/V bedeutet: Bei Nennlast liefert der Sensor eine Ausgangsspannung von 2 mV pro 1 V Speisespannung.
Beispiel für einen DMS-Sensor mit 2 mV/V:
Viele DMS-Aufnehmer liegen bei etwa 2 mV/V bis 3 mV/V. Bei einer Speisespannung von 4,096 V entspricht das einem Signal von etwa 8,192 mV bis 12,288 mV bei Nennlast.
Daran wird deutlich, warum DMS-Messung spezielle Eingänge benötigt. Das Nutzsignal ist sehr klein und muss mit hoher Auflösung, geringem Rauschen und stabiler Brückenspeisung erfasst werden.
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Warum ist die Brückenspeisung bei DMS wichtig?
Die Brückenspeisung versorgt die Wheatstone-Brücke mit einer definierten Spannung. Da das Ausgangssignal eines DMS proportional zur Speisespannung ist, beeinflusst die Stabilität der Speisung direkt die Messgenauigkeit.
Wenn sich die Speisespannung ändert, ändert sich auch die absolute Ausgangsspannung der Brücke. Deshalb müssen DMS-Messmodule sowohl die Brücke stabil versorgen als auch die kleine Differenzspannung präzise messen.
Ein spezialisiertes DMS-Messmodul übernimmt daher mehrere Aufgaben gleichzeitig:
- Versorgung der Messbrücke
- differenzielle Messung der Brückenspannung
- hochauflösende A/D-Wandlung
- Filterung des Messsignals
- Skalierung auf physikalische Größen
- Übertragung der Messwerte an Steuerung oder Leitsystem
FAQ: Messung von DMS-Signalen
Wie werden DMS-Signale gemessen?
Warum wird ein DMS als Wheatstone-Brücke gemessen?
Was bedeutet 2 mV/V bei einem DMS?
Was ist der Unterschied zwischen DMS-Vollbrücke und DMS-Halbbrücke?
Was ist eine DMS-Viertelbrücke?
Kann ein DMS direkt an einen normalen Analogeingang angeschlossen werden?
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