Sensor

Dehnungsmessstreifen-Brückenrechner

Berechnet die Brückenausgangsspannung für Dehnungsmessstreifen in Viertel-, Halb- und Vollbrückenkonfigurationen. Ermitteln Sie die mV-Ausgangsleistung und die Widerstandsänderung für Wägezellen.

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Formel

V_{out} = V_{in} \cdot \frac{GF \cdot \varepsilon}{4} \cdot N

V_out— Brückenausgangsspannung (V)

V_in— Erregerspannung (V)

GF— Messfaktor

ε— Angewandte Dehnung (m/m) (m/m)

N— Anzahl der aktiven Arme (1, 2 oder 4)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner berechnet die Ausgangsspannung der Dehnungsmessstreifenbrücke anhand der angelegten Dehnung. Dies ist unverzichtbar für Statiker, Testtechniker und Luft- und Raumfahrtdesigner, die Spannungsanalysen und Lastmessungen durchführen. Dehnungsmessstreifen wandeln mechanische Verformungen mithilfe des Messfaktors in Widerstandsänderungen um: dR/R = GF Epsilon, wobei GF (Messfaktor) für Metallfolienmessgeräte in der Regel 2,0-2,2 und für Halbleitermessgeräte 100-200 beträgt (Hersteller Vishay und HBM). Die Wheatstone-Brücke wandelt diese winzige Widerstandsänderung (0,01-0,1%) in eine messbare Spannung um: Vout = Vex GF Epsilon N/4, wobei N die Anzahl der aktiven Messgeräte (1, 2 oder 4) ist. Eine Viertelbrücke (N=1) mit 2,1 GF und 1000 Mikrospannung erzeugt Vout = 5 V 2,1 0,001/4 = 2,625 mV. Die Vollbrücke (N=4) vervierfacht die Empfindlichkeit auf 10,5 mV und bietet eine automatische Temperaturkompensation gemäß ASTM E251. Die Nichtlinearität der Brücke beträgt bei Dehnungen unter 5000 Mikrodehnungen < 0,1%. Wägezellen für industrielle Anwendungen erreichen eine Genauigkeit von +/- 0,02%, wenn sie passende 350-Ohm-Folienmessgeräte gemäß den OIML R60-Anforderungen verwenden.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwerfen Sie eine Schaltung mit Dehnungsmessstreifen mit Vollbrücke zur Messung von 0-2000 Mikrodehnungen an einem Flügelholm eines Flugzeugs. Die Messgeräte sind Vishay EA-06-125AD-120 (GF = 2.095, 120 Ohm). Die Erregung beträgt 5 V. Ermitteln Sie die Ausgangsspannung und die erforderliche Verstärkerverstärkung für einen 3,3-V-ADC.

Lösung:

Vollbrückenkonfiguration: N = 4 aktive Messgeräte
Maximale Dehnung: Epsilon = 2000 Mikrospannung = 0,002
Ausgangsspannung: Vout = Vex GF Epsilon N/4 = 5 2,095 0,002 1 = 20,95 mV
Empfindlichkeit: 20,95 mV/2000 Mikrospannung = 10,48 uV/Microstrain
Erforderliche Verstärkungsstärke: G = 3300 mV/20,95 mV = 157,5 V/V
Verwenden Sie INA128 mit Rg = 50k/ (G-1) = 50k/156,5 = 319 Ohm (verwenden Sie 316 Ohm, 0,1%)
Auflösung mit 12-Bit-ADC: 3300 mV/4096/157,5 = 5,1 uV = 0,49 Mikrostrain/LSB

Ergebnis: Vollbrückenausgänge 20,95 mV bei 2000 Mikrospannung. Bei einer Verstärkung von 157,5 beträgt die ADC-Auflösung 0,5 Mikrospannung pro Zählung.

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie für Strukturtests 350-Ohm-Messgeräte, um die Eigenerwärmung zu minimieren (0,7 mW bei 5 V-Erregung) und gleichzeitig einen angemessenen Signalpegel aufrechtzuerhalten. 120-Ohm-Messgeräte leiten 52 mW ab, was zu einer thermischen Drift gemäß ASTM E251 führt
✓Die Messgeräte mit M-Bond 200 (Cyanacrylat) für Raumtemperatur oder M-Bond 610 (Epoxy) für den Bereich von -269 bis +260 C gemäß Vishay-Installationsbericht B-127 auftragen
✓Verwenden Sie ein 4-adriges, abgeschirmtes Kabel, um Leitungswiderstände zu vermeiden. 10 m 24 AWG fügen 1,7 Ohm hinzu, was bei einer 120-Ohm-Viertelbrücke ohne Messleitungen zu einem Verstärkungsfehler von 1,4% führt

Häufige Fehler

✗Vernachlässigung der Temperaturkompensation: Unkompensierte Viertelbrücken-Ausgangsabweichungen um 10—50 uV/C aufgrund des TCR von Messgerät und Leitungsdraht; verwenden Sie selbsttemperaturkompensierte (STC) Messgeräte, die auf das Probenmaterial abgestimmt sind, gemäß Vishay Tech Note TN-504
✗Verwendung eines falschen Messfaktors: GF variiert zwischen 2,0 (Konstantan) und 3,2 (isoelastisch) für Metallfolien und 100-175 für Halbleitermessgeräte; ein GF-Fehler von 10% führt direkt zu einem Dehnungsmessfehler von 10%
✗Ignorieren der Stabilität der Brückenanregung: 0,1% Versorgungsschwankung verursacht einen Ausgangsfehler von 0,1% (1 Mikrospannung bei 1000 Mikrospannung); verwenden Sie eine präzise Spannungsreferenz (REF5050, +/ -0,05%) oder eine ratiometrische ADC-Messung

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein Messfaktor und warum ist er wichtig?

Der Eichfaktor (GF) ist das Verhältnis der relativen Widerstandsänderung zur Dehnung: GF = (dR/R) /epsilon. Bei Messgeräten mit Metallfolie ist der GF = 2,0-2,2 (dominiert durch geometrische Veränderungen), bei Halbleitermessgeräten ist GF = 100-200 (piezoresistiver Effekt). Ein höherer GF bietet eine höhere Ausgangsspannung pro Mikrospannung, aber Halbleitermessgeräte sind temperaturempfindlicher (+/ -10% /50 C gegenüber +/ -1% /50 C bei Folie). Für Präzisionsmessungen werden Folienmessgeräte mit einer GF-Unsicherheit von <+/ -0,5% je nach Herstellerkalibrierung gemäß ASTM E251 bevorzugt.

Warum eine Wheatstone-Brücke verwenden, anstatt den Widerstand direkt zu messen?

Bei 1000 Mikrodehnungen mit GF=2,1 ändert sich der Widerstand nur um 0,21% (0,252 Ohm auf einer 120-Ohm-Anzeige). Eine direkte Ohmmetermessung kann dieses Problem nicht gegen Temperaturdrift und Leitungswiderstand lösen. Die Wheatstone-Brücke wandelt eine Widerstandsänderung von 0,21% in einen Differenzausgang von 2,625 mV um, der leicht verstärkt werden kann. Brückenkonfigurationen bieten außerdem eine automatische Temperaturkompensation, wenn Blindmessgeräte der gleichen Temperatur ausgesetzt sind, sich aber nicht belasten. Dadurch wird eine thermische Drift im Gleichtaktmodus gemäß VDI/VDE 2635 vermieden.