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Wägezelle-Verstärker

Was ist ein Wägezellen Verstärker und wie funktioniert er?


Verstärker für Wägezellen versorgen die DMS-Schaltung mit einer geregelten Versorgungsspannung und wandeln das mv/V-Ausgangssignal in eine andere Signalform um, die für den Benutzer zur Auswertung besser geeignet ist. Das von der DMS-Brücke erzeugte Signal hat eine geringe Signalstärke und funktioniert möglicherweise nicht mit anderen Komponenten des Systems, wie SPS, Datenerfassungsmodulen (DAQ), Computern oder Mikroprozessoren. Zu den Funktionen der Signalaufbereitung für den Kraftsensor gehören daher Versorgungsspannung, Rauschfilterung oder -dämpfung, Signalverstärkung und Ausgangssignalumwandlung


 

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Wie funktioniert ein Wägezelle Verstärker?

Zunächst müssen wir die der Wägezelle zugrunde liegende Physik und Materialkunde verstehen, nämlich den Dehnungsmessstreifen (manchmal auch als DMS bezeichnet). Ein Dehnungsmessstreifen aus Metallfolie ist ein Sensor, dessen elektrischer Widerstand sich mit der aufgebrachten Kraft ändert. Mit anderen Worten, er wandelt (oder überträgt) Kraft, Druck, Drehmoment, Gewicht usw. in eine Änderung des elektrischen Widerstands um, die dann gemessen werden kann. Dehnungsmessstreifen sind elektrische Leiter, die fest mit einer mäanderförmigen Folie verbunden sind. Wenn diese Folie gezogen wird, dehnt sie sich - und die Leiter - aus und verlängert sich. Wenn sie gedrückt wird, zieht sie sich zusammen und wird kürzer. Diese Formveränderung führt dazu, dass sich auch der Widerstand in den elektrischen Leitern ändert. Die auf die Wägezelle ausgeübte Dehnung kann auf der Grundlage dieses Prinzips bestimmt werden, da der Widerstand der Dehnungsmessstreifen mit der ausgeübten Dehnung zunimmt und mit der Kontraktion abnimmt. 

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Abb. 1: Metalldraht Polyimid-Folie. Source: ScienceDirect

 

Strukturell besteht ein Kraftsensor aus einem Metallkörper, auf den Folien-Dehnungsmessstreifen geklebt sind. Der Sensorkörper besteht in der Regel aus Aluminium oder rostfreiem Stahl, was dem Sensor zwei wichtige Eigenschaften verleiht: (1) er ist robust genug, um hohen Belastungen standzuhalten, und (2) er ist elastisch genug, um sich nur minimal zu verformen und in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, wenn die Kraft entfernt wird.

Wenn eine Kraft (Zug- oder Druckrichtung) ausgeübt wird, wirkt der Metallkörper wie eine "Feder" und verformt sich leicht, und wenn er nicht überlastet wird, kehrt er in seine ursprüngliche Form zurück. Wenn sich der Sensorkörper verformt, ändert sich auch die Form des Dehnungsmessstreifens und damit sein elektrischer Widerstand, der über eine Wheatstone-Brückenschaltung eine differentielle Spannungsänderung erzeugt. Die Spannungsänderung ist somit proportional zur physikalischen Kraft, die auf die Biegung ausgeübt wird und die über den Spannungsausgang des Wägezellenkreises berechnet werden kann.

Abb. 2: Dehnungsmessstreifen-Verformung bei Zug und Druck.

 

 

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Diese Dehnungsmessstreifen sind in einer so genannten Wheatstone-Brücken-Verstärkerschaltung (auch Wägezellen-Verstärkerschaltung genannt) angeordnet. Das bedeutet, dass vier Dehnungsmessstreifen in einer Schleifenschaltung zusammengeschaltet sind und das Messgitter der zu messenden Kraft entsprechend ausgerichtet ist.

Die DMS-Brückenverstärker liefern eine geregelte Versorgungsspannung für die Verstärkerschaltung und wandeln das mv/V-Ausgangssignal in eine andere Signalform um, die für den Benutzer nützlicher ist, z. B. einen 4-20-mA- Analogausgang oder einen digitalen USB-Ausgang. Das von der DMS-Brücke erzeugte Signal hat eine geringe Signalstärke und funktioniert möglicherweise nicht mit anderen Komponenten des Systems, wie SPS, Datenerfassungsmodulen (DAQ), Computern oder Mikroprozessoren. Für einige Anwendungen kann eine lokale Signalanzeigeerforderlich sein. Zu den Funktionen der Signalaufbereitung für den Kraftsensor gehören daher Versorgungsspannung, Rauschfilterung oder -dämpfung, Signalverstärkung und Umwandlung des Ausgangssignals.

Darüber hinaus ist die Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers so konfiguriert, dass sie direkt proportional zur Kraft ist, die auf den Sensorkörper ausgeübt wird und die über die Spannungsgleichung der Brückenschaltung  berechnet werden kann.

Abb. 3: Dehnungsmessstreifen-Kraftsensor-Schaltung - Vollbrücken-Wheatstone-Schaltung.

 

 

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Ein wichtiges Konzept bei Kraftaufnehmern ist die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Wägezellen. Die Genauigkeit eines Kraftsensors kann als der kleinste Kraftbetrag definiert werden, der auf den Sensorkörper ausgeübt werden kann, um eine lineare und wiederholbare Veränderung des Spannungsausgangs zu bewirken. Je höher die Genauigkeit der Wägezelle, desto besser, da sie konsistent sehr sensible Kraftschwankungen erfassen kann. In Anwendungen wie der hochpräzisen Fabrikautomation, der chirurgischen Robotik und der Luft- und Raumfahrt ist die Linearität der Wägezelle von größter Bedeutung, um das SPS- oder DAQ-Steuerungssystem mit der genauen Kraftmessung zu versorgen. Einige unserer Universal-Pancake-Kraftmessdosen weisen eine Nichtlinearität von ±0,1% (des Nennausgangs) und eine Nichtwiederholbarkeit von ±0,05% RO auf.

 

Welche Funktionen hat ein  Wägezellenverstärkers? 

 

Die Funktion einer Wägezellenverstärkerschaltung besteht darin, das Signal der Wägezelle oder des Drehmomentsensors zu erfassen und in ein höheres elektrisches Signal umzuwandeln. Diese elektronischen Geräte sind auch als Signalwandler bekannt, da sie elektrische Signale umwandeln und modulieren. Dazu durchläuft das mV/V-Ausgangssignal mit niedriger Amplitude der Wägezelle mehrere verschiedene Signalaufbereitungsschritte:

 

Versorgungsspannung:

Vollbrücken-Wägezellen oder Drehmomentsensoren benötigen eine Versorgungsspannung vom Wheatstone-Brückenverstärker, um die Dehnungsmessstreifenbrücke zu speisen und ihr Ausgangssignal als Verhältnis zur Eingangsversorgungsspannung zu erzeugen (z. B. Verstärker für Dehnungsmessstreifen). Daher müssen Sie kontrollieren, ob Ihr Messgerät oder Ihre SPS die Anforderungen an die Eingangsspannung oder Erregerspannung des Sensors erfüllen kann. Einfach ausgedrückt: Eine instabile Versorgungsspannung führt zu einem instabilen Wägezellenausgang. Falls Sie ein DMS-Wägezellen-Verstärkermodul für eine SPS oder ein DAQ benötigen und diese keine stabile Eingangsversorgungsspannung liefern, wird der Verstärker die Versorgungsspannungsquelle sein, um sicherzustellen, dass der Sensor ein zuverlässiges und konsistentes Ausgangssignal liefert. Die digitalen Signalaufbereiter der USB-Familie von FUTEK können beispielsweise eine Versorgungsspannung von bis zu 24 VDC für verstärkte Sensoren bereitstellen, und zwar über die USB 2.0 5 VDC-Versorgung.

 

Filtern:

Analoge Sensorsignale sind anfällig für elektrisches Rauschen und/oder Restwelligkeitsspannungen, die Messungen verzerren oder verfälschen können. Das Rauschen muss herausgefiltert werden, bevor Sie ein genaues Signal erfassen können. Messgeräte und SPS, die für den direkten Anschluss von Vollbrückensensoren ausgelegt sind, verfügen über einen Durchlassbereich und andere Formen der Signalkonditionierung und -filterung. In einem rauscharmen Signalaufbereiter eliminieren elektronische Filter einige Auswirkungen auf die Genauigkeit, indem sie elektrisches Rauschen und Welligkeitseffekte oberhalb und unterhalb des Signalbereichs des analogen Sensors entfernen, was zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis führt. Die Signalaufbereiter für Wägezellen von FUTEK verfügen zum Beispiel über eine Funktion zur Auswahl der Bandbreite, mit der diese von 100 Hz bis 50.000 Hz eingestellt werden kann, was eine Rauschfilterung im Anwendungsbereich der Wägezelle oder des Drehmomentsensors ermöglicht.

 

Verstärkung:

Ein Vollbrücken-DMS-Sensor kann ein Signal im Nanovolt- bis Millivoltbereich ausgeben. Wenn Ihre DAQ oder SPS auf die Messung von Spannung beschränkt ist, benötigen Sie einen DMS-Verstärker, um das Millivoltsignal in ein größeres Signal umzuwandeln. Einige PLCs und DAQs verfügen über eine integrierte Verstärkung, andere benötigen einen externen Verstärker. Was ist, wenn Ihr vorhandenes Messgerät oder Ihre SPS nicht über eine eingebaute Verstärkung, Signalaufbereitung und eine stabile Stromquelle für die Sensorerregung verfügt? In diesem Fall benötigen Sie einen Verstärker, um die Lücken in Ihrer Instrumentierung zu schließen und Ihren Vollbrückensensor zu unterstützen. Für mehrachsige Sensoren, wie z. B. 6 Achsen Kraft Momenten Sensor, benötigt man eine Mehrkanal-Wägezellenverstärker Schaltung, die alle mV/V-Ausgänge der Kanäle verarbeiten kann.

 

Signalumwandlung:

Die meisten Vollbrücken-Wägezellen und Kraftmesssensoren oder -aufnehmer erzeugen einen analogen Ausgang im Millivoltbereich (mV/V). Daher ist die Signalverarbeitung traditionell analog. Wenn Ihr SPS- oder DAQ-System also einen verstärkten analogen (z.B.: Wägezellenverstärker 4-20mA, 0-10 VDC) oder einen digitalen Ausgang (USB, SPI) benötigt, benötigt die Wägezelle oder der Drehmomentsensor ein DMS-Signalaufbereitungsmodul, um das mV/V-Signal in den erforderlichen Signalausgang umzuwandeln. Normalerweise wird ein Wägezellen-Handdisplay oder eine Wägezellenanzeige zur lokalen Anzeige (Wägezellenauslesung) des Kraftmesswerts benötigt.

Einige Anwendungen erfordern einen digitalen Ausgang, für den ein Signalaufbereitungsmodul mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) erforderlich ist. Für diese Anwendungen müssen bei der Auswahl des digitalen Verstärkers zwei kritische Parameter berücksichtigt werden: rauschfreie Auflösung und Abtastrate. In dieser Hinsicht bietet FUTEK eine breite Palette von Wägezellen-USB-Ausgangskits (USB-Kraftsensor-Verstärker), die mikroprozessorgesteuerte Wägezellensignalwandler mit interner hoher Auflösung (24 Bit) bieten, die bis zu 21 ENOB und bis zu 19 Bit rauschfreie Auflösung bieten. Unser gesamtes Sortiment an USB-Kraftmesszellen-Verstärkermodulen hat einen FSR-Wert von ± 0,005% für Genauigkeit und Nichtlinearität.

Manche Anwendungen erfordern eine aggressive Abtastrate, bei der tausend Samples pro Sekunde einfach nicht ausreichen. Die USB-Geräte von FUTEK bieten hervorragende Abtastraten, die zwischen 5 und 15k Samples pro Sekunde liegen. Bitte beachten Sie, dass sich die Auflösung mit steigender Abtastrate ändert.

 

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