Messtechnik |
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Signalaufbereitung |
Skript zur Vorlesung
Messtechnik
Teil 4: Signalaufbereitung
5. Brückenschaltungen 2
5.1. Wheatstone-Brücke (1834) 2
5.1.1. Kompensationsmethode 2
5.1.2. Ausschlagmethode 3
4. Analoge Signalaufbereitung 8
4.1. Invertierender Verstärker 8
4.2. Nichtinvertierender Verstärker 8
4.3. Impedanzwandler 9
4.4. Strom-Spannungs-Wandler 9
4.5. Addierer/Summierverstärker 9
4.6. Differenzverstärker/Subtrahierverstärker 9
4.7. Integrator 10
4.8. Differentiator 10
5. Analog-Digitalwandlung 11
5.1. Grundlagen 11
5.1.1. Das Abtasttheorem 11
5.1.2. Sample and Hold Schaltung 12
5.1.3. Die Quantisierung 13
5.1.4. Die Codierung 13
5.2. Beispiele 14
5.2.1. Single Slope-Verfahren 14
5.2.2. Dual-Slope-Verfahren 14
5.2.3. Delta-Sigma-Verfahren 16
5. Brückenschaltungen
5.1. Wheatstone-Brücke (1834)
5.1.1. Kompensationsmethode
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Diagonalspannung:
Abgleichbedingung:
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links: Schleifdraht-Messbrücke
rechts: automatisch abgleichende Brücke |
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links: Schleifdraht-Messbrücke
rechts: automatisch abgleichende Brücke |
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Wheatstone-Messbrücke in 4-Leiter-Technik zur Messung kleiner Widerstände
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Thomson-Messbrücke Rx: zu messender Widerstand Rr: Referenzwiderstand
Übergangswiderstände der Messleitungen gehen nicht in das Ergebnis ein Widerstände bis 10-7 Ω messbar
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5.1.2. Ausschlagmethode
Um den relativ zeitaufwändigen Abgleich zu sparen wird die Brücke so ausgelegt, dass sie in der Nähe des (abgeglichenen) Arbeitspunkts gemessen wird.
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Diagonalspannung der Brücke in Abhängigkeit von Rx
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Bei kleinen Änderungen von RX ergibt sich für die ¼ Brücke
Wegen
folgt
Analog lassen sich für die anderen Brücken, die in der folgenden Tabelle zusammengestellt sind ähnliche Näherungsformeln berechnen:
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Diagonalspannung für verschiedene Brückenanordnungen
nicht bezeichnete Widerstände: R = R0 + : R= R0 + ΔR - : R= R0 – ΔR
a, b, c: Viertelbrücken d,e,f,g: Halbbrücken h: Vollbrücke
f: hier ist Ud exakt proportional zu ΔR /R |
Viertelbrücke
Ein aktiver DMS in uniaxialem Spannungsfeld. Meistgebrauchte Schaltung in der Spannungsanalyse. Der aktive DMS (1) wird durch drei passive Widerstände (2,3,4) zur Vollbrücke ergänzt.
Hinweise: Nicht Linear! Die Nichtlinearität ist für die Spannungsanalyse meist unwesentlich, bei sehr hohen Dehnungen jedoch kann der Fehler durchaus 2% und mehr betragen.
Die Viertelbrücke hat im Sensorenbau keine praktische Bedeutung.
Halbbrücke, 2 aktive DMS
Zwei aktive DMS in uniaxialem Spannungsfeld. Die aktiven DMS (1,2) werden durch zwei passive Widerstände zur Vollbrücke ergänzt.
Hinweise: Linear. Anwendung in der Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren.
Halbbrücke, 1 aktiv,1 quer DMS
Der aktive DMS (1) wird durch einen quer angeordneten "Poisson" DMS (2) und zwei passive Widerstände (3,4) zur Vollbrücke ergänzt.
Hinweise: Nicht völlig Linear. Anwendung in der Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren. Bei Zug-, Druckstäben ist diese Schaltung unvermeidbar.