Auswahl eines geeigneten Verstärkers

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 Verstärker für die Sensorik:

  • Rauscharm
  • Hochwertige Filter
  • Geringe Nichtlinearität, bzw. hohe Genauigkeit
  • Hohe Abtastrate / Bandbreite
  • Hohe Auflösung (bei AD-Wandlern)
FUTEK DMS Verstärker IAA100

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.

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!

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 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.
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.

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.

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