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 (quantisiert) werden.
Die wichtigsten Kriterien zur Auswahl geeigneter Messverstärker für die Sensorik:
- Rauscharm
- Single ended oder differential Anschluss
- Hochwertige Filter
- Geringe Nichtlinearität, bzw. hohe Genauigkeit
- Hohe Abtastrate / Bandbreite
- Hohe Auflösung (bei AD-Wandlern)
- Ausgangssignal (analog, digital)
Signalfilter des Verstärkers
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:
Wenn bei einem Verstärker nur ein Tiefpassfilter vorgeschaltet ist, sperrt dieser nur die höheren Frequenzen, bzw. bei einem Hochpassfilter werden tiefe Frequenzen ausgekoppelt (z.B. Störungseinkopplungen vom Stromnetz). Verstärker sollten alle diese Filtermöglichkeiten bereitstellen.
Jede elektronische Schaltung, also auch ein Sensor, produziert durch die Elektronenbewegung ein Grundrauschen („weißes Rauschen“). Hinzu kommt dann mindestens noch ein frequenzabhängiges Rauschen („rosa Rauschen“). Die Höhe des gesamten Rauschens eines Sensorsignals ist u.a. abhängig von der verwendeten Technologie (DMS-Metallfolien Sensoren zeigen z.B. ein geringeres Rauschen als MEMS-Ausführungen) und der Qualität der Speisespannung. Dies ist daher schon bei der Auswahl der Sensorik zu beachten. Die nachgeschalteten Verstärker sollten dann ebenfalls in einer möglichst rauscharmen Ausführung gewählt werden. Für DMS-Sensoren sollten nur spezielle Verstärker für diese Technologie gewählt werden, normale Spannungsverstärker sind nicht geeignet!
Single ended oder differential Ausführung
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 mit differential Ein- und Ausgang
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.
Ausgangssignal
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.