Wheatstonebrücke: DMS mit 350 Ohm oder 1000 Ohm?
Eine Mehrzahl piezoresistiver Sensoren, sind mit DMS Brückenwiderständen mit einem Nennwert von 350 Ohm bestückt.
Die Hersteller gehen jedoch mehr und mehr dazu über, DMS mit 1000 Ohm einzusetzen.
Worin bestehen die Vorteile von 1000 Ohm DMS gegenüber den 350 Ohm Varianten in einem Sensor mit Wheatstonebrücke?
- Geringere Selbsterwärmung & niedriger Leistungsverbrauch
- Bei gleicher Brückenspannung fließt durch einen höheren Widerstand weit weniger Strom (I = U/R). Dadurch wird deutlich weniger Leistung (P = U²/R) in Wärme umgesetzt.
- Weniger Selbsterwärmung heißt: geringere thermische Drifts (Offset- und Empfindlichkeitsänderungen) und stabilere Nullpunkte.
- Bessere Unempfindlichkeit gegen Leitungswiderstände
- In der Regel sitzen DMS-Brücken einige Meter entfernt von der Elektronik. Kupferleitungen haben pro Ader schon einige Ohm.
- Bei einer 350 Ω-Brücke verursachen z. B. +5 Ω Leitungswiderstand pro Ader einen messbaren Fehler, bei 1 000 Ω-Brücken ist derselbe Leitungswiderstand nur ein Bruchteil des Gesamtwiderstands und damit deutlich weniger störend.
- Das verbessert die Langzeitstabilität und reduziert Kompensationsaufwand.
- Höhere Eingangsimpedanz für die Messelektronik
- Moderne Messverstärker haben zwar hohe Eingangsimpedanzen (z. B. 10 M Ω), aber je höher der Sensorwiderstand, desto mehr bleibt auch nach etwaigen Störpfaden (EMV, Isolationslecks) das Signal „sauber“.
- Außerdem kann man mit höherer Brückenimpedanz bei gleicher Stromquelle (Konstantstrom/konstante Spannung) höhere Versorgungsspannungen nutzen, um mehr mV/V Signalausbeute zu erhalten, ohne den Strom (und damit die Wärme) ansteigen zu lassen.
Zusammenfassung:
1 000 Ω-DMS liefern bei gleicher Brückenausgangsspannung weniger Strombedarf, geringere thermische Drifts und sind unempfindlicher gegenüber den Leitungswiderständen – was in der Praxis zu stabileren Messergebnissen führt.
Welchen Einfluss hat die Änderung des DMS-Widerstandes auf die Sensitivität des Sensors?
- Signal-Amplitude (mV/V) pro Dehnung bleibt gleich.
Egal ob 350 Ω oder 1 000 Ω, bei der gleichen Dehnung und dem gleichen GF liefert der DMS dieselbe mV/V-Ausbeute. - Höhere absolute ΔR\Delta R erleichtert das Justieren und Optimieren der Brücke bei der Installation (z.B. Abgleich, Kompensation), ohne die Sensitivität zu verändern.
- Größere erlaubte Versorgungsspannung
Da der Strom geringer ist, kann man bei gleicher Selbsterwärmungs-Begrenzung auch mit einer höheren Spannung arbeiten, wodurch der absolute Ausgang (in mV) steigt – das ist aber eher ein trick, die normierte Sensitivität (mV/V) bleibt unverändert. - Rauschbetrachtung
Thermisches Rauschen steigt mit höherem R nominal leicht an, in den meisten Messelektronik-Designs ist dieser Effekt im Verhältnis zum Verstärker-Eigenrauschen jedoch vernachlässigbar.
Zusammenfassung:
Der höhere Nennwiderstand ändert nicht die per mV/V gemessene Sensitivität bei gegebener DMS-Konstante. Er bietet vielmehr Vorteile in Leistung, Abgleich und Störunempfindlichkeit, ohne die grundsätzliche Dehnungs-Empfindlichkeit zu beeinflussen.
Kostenvergleich
Größter Mehraufwand bei 1 000 Ω liegt in der etwas engeren Gitterstruktur, was die Fotolitho-Prozesse minimal anspruchsvoller macht.
Alle übrigen Fertigungsschritte (Substrat, Passivierung, Bonding, Kalibrierung, Sensormontage) sind gleich.
In der Praxis führt das zu keinen nennenswerten Mehrkosten im Herstellungsaufwand– Preisunterschiede resultieren fast ausschließlich aus Markt- und Volumenbedingungen, nicht aus grundlegend anderem Produktionsaufwand.