Kraft-, Druck- und Beschleunigungssensoren, die auf DMS-Technik basieren, erzeugen nur ein relativ kleines Ausgangssignal. Dieses muss dann entsprechend verstärkt werden. Analoge Messverstärker erzeugen dann ein normiertes Signal, das für die Messdatenerfassung und Verarbeitung benötigt wird. Auch digitale Produkte, wie AD-Wandler müssen die Signale zuerst verstärken, bevor diese weiterverarbeitet (digitalisiert) werden.
Daher ist die richtige Auswahl eines geeigneten DMS Verstärkers wichtig.
Wichtige Kriterien zur Auswahl eines Verstärkers
– Rauscharm
– Hochwertige Filter
– Single ended oder differential Anschluss
– Hohe Genauigkeit
– Abtastrate (Bandbreite) vs. Auflösung
– Ausgangssignal (analog oder digital)
Signalfilter
Bevor ein Sensorsignal verstärkt wird, ist meist ein Filter vorgeschaltet. Dieser dient dazu, unerwünschte Frequenzen (Störungen) vom Verstärkereingang fernzuhalten.
Diese „Störfrequenzen“ können sowohl im niedrigen, als auch im höheren Frequenzbereich angesiedelt sein. Bei den Filtern, die diese Frequenzanteile sperren, handelt es sich meist um sogenannte Bandpassfilter, die nur das gewünschte Frequenzband passieren lassen:
Single ended oder differential?
Die Auswahl hängt von der Art bzw. dem Aufbau der Applikation ab. Wie lange sind die Leitungen zwischen Sensor, Verstärker und Messdatenerfassung (DAQ)? Wieviele Messkanäle sind geplant? Ist mit Störungseinkopplungen zu rechnen?
Single ended (unsymmetrisch)
– Der Sensor liefert ein Signal gegen Masse (GND).
– Der Messverstärker misst also die Spannung zwischen Signalleitung und Masse.
– Es gibt nur eine Signalleitung pro Messkanal.
Differential (symmetrisch)
– Der Sensor hat zwei Signalleitungen, meist „+“ (V+) und „–“ (V–), bzw. die englischen Bezeichungen Exc (+) und Exc (-)
– Der Messverstärker misst die Differenzspannung zwischen diesen beiden Leitungen, also nicht zwischen Signal und dem festen Masseanschluss, sondern zwischen Signal und der Minusleitung, der der Sensor mitbringt.
– Es wird keine feste Masse als Bezug verwendet –Störungen, die auf beide Leitungen gleichzeitig wirken, werden herausgerechnet (Gleichtaktunterdrückung).
Beispiel: FUTEK IAA300 – Ein- und Ausgang: differential
Abtastrate (sampling rate)
Meist wird bei der Auswahl der Verstärker die erforderliche Abtastrate zu klein gewählt. Hier hilft das bekannte Nyquist-Shannon Abtasttheorem nicht weiter. Dieses besagt, dass die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein muss wie die zu messende Frequenz.
Bei den Sensorsignalen liegt die Information jedoch meist in der Amplitude und nicht in der Frequenz. Daher müssen diese Signale mindestens 8-fach höher abgetastet werden. Wird das nicht beachtet, interpretiert die Messdatenverarbeitung die Sensorsignale nicht richtig (Aliasing Effekt).
Achten Sie bei der Auswahl eines Verstärkers auch auf die benötigte maximale Abtastrate bzw. Bandbreite für die Messung. Dies gilt gleichermaßen auch für AD-Wandler.
AD-Wandler produzieren neben Verstärkungsfehlern zusätzlich Abweichungen durch die Quantisierung. Diese sind abhängig von der Auflösung. Neben der erforderlichen Genauigkeit, den Filtern und der Abtastrate, sollte auch die passende Auflösung gewählt werden.
Die Wahl der Abtastrate und der zugehörigen Auflösung ist abhängig von der Messaufgabe/Applikation.
Es ist auch zu beachten, dass die max. Angaben in den Datenblättern nicht gleichzeitig für Abtastrate und Auflösung gelten.
Eine Erhöhung des einen hat eine Reduzierung des anderen zur Folge und umgekehrt.
So ist zum Beispiel bei eine statischen oder niederfrequenten Kraftmessung eine hohe Auflösung wichtig, nicht eine sehr schnelle Abtastung.
Weitere Informationen hinsichtlich der Wahl von Abtastrate und Auflösungen finden Sie in diesem Blogbeitrag.
Ausgangssignal des Verstärkers
Last, but not least: das Ausgangssignal des Verstärkers.
Die Verstärker bieten in der analogen Ausführung Normsignale (Spannung: z.B. +/- 10 V bzw. Strom: z.B. 4-20 mA) an, abhängig von der Konfiguration der Messeinrichtung /Anwendung. Weiterhin gibt es Ausführen mit digitalem Ausgang (z.B. CAN, Ethernet, Modbus, I2C, RS485, USB) an, entweder einzeln, oder zusätzlich zum Analogausgang.
Wir empfehlen die Verwendung qualitativ hochwertiger Verstärker, denn die Messkette ist nur so gut wie ihr schwächstes Glied.
Eine Übersicht über die von uns angebotenen Verstärker finden Sie hier.