Verbindung von Dehnungsmessstreifen mit Brückenkonfigurationen für Kraftmesszellen
Dehnungsmessstreifen sind die Grundlage der Wägezellentechnologie, denn sie wandeln mechanische Kraft in messbare elektrische Signale um. Interface definiert die DMS-Verbindung in unserem grundlegenden Load Cell Field Guide.
Die Zusammenschaltung von Dehnungsmessstreifen in einer Wheatstone-Brücke – in Form von Viertel-, Halb- oder Vollbrücken – ist eine entscheidende Designentscheidung, die sich auf Leistung, Kosten und Anwendungseignung auswirkt.
Wenn Tausende von Dehnungsmessstreifen benötigt werden, um einen umfangreichen Test durchzuführen, ist die Viertelbrücken-Konfiguration eine Notwendigkeit zur Kostenkontrolle. Der einzige aktive Brückenschenkel (ein Dehnungsmessstreifen) und die anderen drei inaktiven Schenkel sind Festwiderstände und simulieren eine Vollbrücke. Bei sonst gleichen Parametern ist die Leistung einer Vollbrücke doppelt so hoch wie die einer Halbbrücke und viermal so hoch wie die einer Viertelbrücke.
Dieser Überblick bietet die Sicht eines Ingenieurs auf diese Konfigurationen und stützt sich dabei auf bewährte Grundsätze in diesem Bereich.
Das Grundprinzip: Dehnung bis zum Widerstand
Wie im Interface-Fachhandbuch hervorgehoben wird, liegt die Grundlage der DMS-Technologie in dem Prinzip, dass sich der elektrische Widerstand eines DMS proportional zur aufgebrachten Dehnung ändert. Diese Beziehung wird durch den DMS-Faktor (GF) quantifiziert: RΔR=GF⋅ϵ
Diese kleine Widerstandsänderung wird mit einer Wheatstone-Brückenschaltung, der Standardmethode zur Umwandlung dieser elektrischen Änderung in eine verwertbare Ausgangsspannung, genau gemessen.
Anpassung der Brückenkonfigurationen an die Anwendungsbedürfnisse
Die Erfahrung von Interface in der Herstellung von Standard- und kundenspezifischen Wägezellen seit fast 58 Jahren zeigt, dass die Auswahl einer Brückenkonfiguration eine strategische Entscheidung ist, bei der die anfänglichen Kosten mit der gewünschten Empfindlichkeit und der Notwendigkeit der Abschwächung von Umweltfaktoren und äußeren mechanischen Belastungen abgewogen werden müssen.
Viertelbrücke: Vereinfachung für besondere Fälle
Ein einzelner aktiver Dehnungsmessstreifen ist mit drei festen Widerständen integriert, um die Wheatstone-Brücke zu vervollständigen. Die Ausgangsspannung der Brücke spiegelt direkt die Widerstandsänderung dieses einen aktiven Messfühlers wider. Gängige Konstruktionspraktiken für Wägezellen empfehlen, dass die Viertelbrücke aufgrund des einzigen aktiven Sensorelements die wirtschaftlichste Ausgangskonfiguration bietet. Ihre Einfachheit kann bei kostensensiblen Anwendungen von Vorteil sein, bei denen es nicht so sehr auf Genauigkeit und Stabilität ankommt.
Viertelbrücken sind zwar kostengünstig, weisen aber die geringste Empfindlichkeit auf, so dass das Signal weniger störungsanfällig ist. Außerdem sind sie anfällig für Temperaturschwankungen, was zu einer Nullpunktdrift führen kann. Die Kompensation von Biege- oder Torsionsbelastungen ist minimal.
TIPP: Viertelbrücken werden typischerweise für einfache Wägevorrichtungen ohne hohe Präzision, grundlegende Spannungsanalysen unter kontrollierten Bedingungen und Lehrmittel zur Veranschaulichung von Dehnungsmessungsprinzipien verwendet. Der Leitfaden von Interface empfiehlt, diese Konfiguration auf Anwendungen zu beschränken, bei denen die Stabilität der Umgebung und die Reinheit der Last weniger kritisch sind.
Halbe Brücke: Verbesserte Leistung durch DMS-Paarung
Zwei aktive Dehnungsmessstreifen, die strategisch auf dem Lastsensorelement angebracht sind, werden in der Brückenschaltung mit zwei festen Widerständen gepaart. Die Ausgangsspannung ist proportional zu den kombinierten Widerstandsänderungen der beiden aktiven Dehnungsmessstreifen. Häufig sind diese Dehnungsmessstreifen so ausgerichtet, dass sie unter Last entgegengesetzte Dehnungen erfahren, wodurch sich der Ausgang im Vergleich zu einer Viertelbrücke effektiv verdoppelt.
Die Wägezellen-Ingenieure von Interface betonen, dass die Halbbrücke einen deutlichen Leistungssprung bietet. Der Einsatz von zwei aktiven DMS bietet eine höhere Empfindlichkeit und das Potenzial für eine inhärente Temperaturkompensation erster Ordnung, sofern beide DMS ähnlichen Temperaturschwankungen unterliegen. Durch eine sorgfältige Platzierung der DMS kann die Empfindlichkeit gegenüber außermittigen Lasten reduziert werden, was bei der Entwicklung von Wägezellen ein wichtiger Aspekt ist.
Der Einbau ist komplexer als bei einer Viertelbrücke. Eine adäquate Temperaturkompensation hängt von angepassten DMS-Eigenschaften und einer gleichmäßigen Temperaturverteilung ab. Die Fähigkeit, bestimmte Fremdlasten abzuweisen, hängt in hohem Maße von der genauen Position und Ausrichtung der beiden aktiven DMS auf dem Fühlerelement ab.
TIPP: Integrierte Wägezellen, bei denen das Systemdesign eine spezielle Montage und Signalverarbeitung für eine verbesserte Stabilität zulässt, Kraftmessung in überwiegend einachsigen Belastungsszenarien, bei denen eine gewisse Biegung auftreten kann, und kundenspezifische Sensorkonstruktionen, die eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber einer Viertelbrücke anstreben.
Volle Brücke: Der Höhepunkt von Leistung und Entlohnung
Vier aktive Dehnungsmessstreifen bilden alle vier Arme der Wheatstone-Brückenschaltung. Die Ausgangsspannung ist proportional zur Summe der Widerstandsänderungen aller vier DMS, wodurch die Empfindlichkeit maximiert wird. In der Regel werden zwei Dehnungsmessstreifen zur Erfassung der Zugspannung und zwei zur Erfassung der Druckspannung unter der aufgebrachten Last eingesetzt.
Die umfassende Erfahrung von Interface macht die Vollbrücke zur besten Konfiguration für hochpräzise und hochstabile Wägezellen. Ihre inhärente Kompensation von Temperatureinflüssen auf Nullpunkt und Messspanne sowie ihre Fähigkeit, durch strategische DMS-Platzierung eine minimale Empfindlichkeit gegenüber außermittigen Belastungen und Biegemomenten zu erreichen, machen sie zum Standard für anspruchsvolle Anwendungen. Diese Konfiguration bietet die höchste Empfindlichkeit und Linearität.
Diese Geräte gelten als hochwertig und sind eine langfristige Investition wert, da sie vier aktive DMS verwenden und ein komplizierteres Installationsverfahren haben. Die überragende Leistung rechtfertigt oft diese Investition für Anwendungen, die zuverlässige und präzise Messungen erfordern.
TIPP: Industrielle Wägesysteme, Präzisionskraftmessung in der Materialprüfung und –kalibrierung, Luft- und Raumfahrt– sowie Automobilprüfungen, bei denen komplexe Belastungen und Temperaturschwankungen zum Standard gehören, Hochleistungswaagen für eichpflichtige Anwendungen und kritische Prozesskontrollsysteme. Das Wägezellenangebot von Interface in diesen Bereichen nutzt überwiegend Vollbrückenkonfigurationen, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.
Brücken und Messgeräte-Verbindungen – die wichtigsten technischen Erkenntnisse
Die langjährige Erfahrung von Interface in der Entwicklung und Herstellung von Wägezellen macht deutlich, dass die Wahl der DMS-Brückenkonfiguration eine grundlegende technische Entscheidung ist, die sich nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung richtet.
Faktoren wie die erforderliche Genauigkeit, die voraussichtliche Betriebsumgebung, mögliche Fremdlasten und Budgetbeschränkungen müssen sorgfältig abgewogen werden. Während Viertelbrücken anfängliche Kosteneinsparungen bieten, stellen die verbesserte Leistung und die inhärenten Kompensationsmöglichkeiten von Halb- und insbesondere Vollbrückenkonfigurationen oft die zuverlässigsten und genauesten Langzeitlösungen für anspruchsvolle Kraft- und Gewichtsmessanwendungen dar.
Das Verständnis dieser Abwägungen, das durch die in Ressourcen wie dem Load Cell Field Guide von Interface hervorgehoben wird, ist für Ingenieure verschiedener Disziplinen von entscheidender Bedeutung.