DMS auswerten - sehr niedrige Spannungsdifferenz messen...

[OnkelTobi]

Hallo,

ich muss für ein aktuelles Projekt eine Kraft an einem Hebel messen.

Dazu habe ich 4 Dehnmessstreifen als Vollbrücke verschalten.

In der Simulation liegt die Dehnung minimale Dehunng bei ca. 12µm/m.
Durch die Messbrücke, die Dehnmessstreifen (k=2.01) und die Brückenspannung von 3V komme ich auf eine minimale Differenzspannung von 18µV.

Diese Spannung muss ich irgendwie sauber in einen Tiny44 reinbekommen.

Als Differenzverstärker habe ich einen LTC 1050 ausgesucht. Dieser hat typisch einen minimalen Offset von 0.5µV.

Den Verstärkungsfaktor habe ich auf ~300 veranschlagt.

Gemessen werden sollen positive und negative Dehnungen.
Deswegen liegt Anschluss 1 von R1 auf Vcc/2.

Die Abfrage des ADC-Wertes muss mit einer Frequenz von etwa 1200Hz erfolgen.

Die Leitungslänge von der Messbrücke zum Verstärker liegt bei ca. 10cm.

Angestrebte Genauigkeit +-5%.

Meinen Schaltplanentwurf, habe ich mal angehängt.
Aufgebaut habe ich die Schaltung bereits:
http://www.flickr.com/photos/21415545@N00/2316270269/
Die LTCs sind allerdings noch nicht da...

Vielleicht kann da mal jemand reinschauen und mir sagen, ob ich evtl. noch irgendwas vergessen habe!?

Danke.

Gruß Tobias

[shaun]

Wenn die 18uV die Spannung pro LSB sein sollen, könnte das soweit hinkommen, um die 5mV Schrittweite fällt ja in den Bereich der integrierten ADCs. Der Aufbau macht mir allerdings Sorgen: Spannungen im uV-Bereich, d.h. durch Deine 1k-Widerstände fliessen einige Nanoampere, da wirdst Du mit der Pappplatine nicht glücklich. Linear empfiehlt für den 1050 nicht umsonst Teflon und anderes abgefahrenes Zeug, Guard-Ringe um die Eingänge usw. Gut, da geht es um pA, aber auch für Deinen Fall könnte Epoxyd und ein sauberes Layout sich auszahlen.
Wenn Du Änderungen mit 1,2kHz erwartest bist Du mit den 2,5kHz Choppingfrequenz des LTC auch haarscharf an der Grenze, denk mal drauf rum!

[shaun]

Achso, und die Steckverbinder müssen auch weg. Übergangswiderstände und Thermospannungen sind Dein Feind!

[Besserwessi]

Am Ausgang des Differenzverstärkers sollte kein Kondensator nach Masse. Die meisten OPs mögen das gar nicht und neigen zum schwingen. Wenn man die Bandbreite begrenzen will, was durch aus sinnvoll ist, dann sollte ein kleiner Kondensator parallel zu R7. Die Lösung mit R8,R9,R10 ist nicht ganz ideal, könnte aber noch gehen. Eine Alternative wäre R8 = 270 K und R9=R10=120 K. Eventuell wäre aber auch ein Abgleich durch einen Poti sinnvoll, je nach Symmetrie der DMS. Die Widerstände sollten alle wenigstens 1% Typen sein.
Besonders bei Batteriebetrieb sind die 2,5 mA durch den Spannungsteiler wirklich Verschwendung. Für den Spannungsregler müßte sich auch noch was besseres finden lassen. Mit rund 50 mA ist das ohnehin schon recht viel für den 78L05. Der Regler sollte wegen der Wärmeentwicklung nicht zu nahe an den Verstärker.

[Besserwessi]

Vielleicht habe ich mich auch verrechnet, aber ich komme auf maximal etwa 150 uV am Brückenausgang (2 x K * Dehnung * Spannung). Bei einer Bandbreite von ca. 600 Hz und 90 nV / Sqrt(Hz) (Datenblatt vom LTC1050) komme ich da auf ca. 2 uV Rauschen. Das wird also allein vom Rauchen her nicht gerade gut. Auch wegen der Probleme mit dem Offset sollte man wohl besser auf eine Wechselstromanregung zurückgreifen. Ein Eigenbau ist schwierig aber nicht unmöglich.

[OnkelTobi]

Hi,

Der Aufbau ist aktuell nur ein Probeaufbau.
- Die Widerstände sind alle 1%
- Den Kondensator am Ausgang habe ich auch zunächst weggelassen.
- Auf die Steckverbinder werde ich verzichten.
- Der 78L05 war nur zur Andeutung für die Versorgung. Ich werde die Schaltung direkt aus einem Li-Ion-Akku versorgen.

Bei der Choppingfrequenz muss ich mich erstmal belesen, was die für einen begrenzenden Faktor besitzt.

Der Kondensator parallel zu R7: Wie sollte der dimensioniert sein?
Ich habe so einen oft in Datenblättern gesehen, aber wie begründet der sich?

/edit
Berechnungen:
Dehnung: 12µm/m
DMS: k=2,01
Vcc=3V
Änderung relativ: 6,03µV/V (Ud/Us=1/4*k*e)
Änderung absolut: 18,09µV

Gain: 300
U(adc)=1,5054V

Max. Auflösung: 6,5µm/m

[user529]

willst du nicht auf eine AC messbrücke umsteigen, eine ordentliche aktive gleichrichtung aufbauen und so auswerten?

mfg clemens

[OnkelTobi]

Wenn ich mit meinem Ansatz auf eine Genauigkeit von 5% komme, würde ich auf einen aufwändigeren Ansatz verzichten wollen.

[wawa]

so onkeltobi, jetzt komm ich auch noch mit meinem senf ;-))
1.) die bruecke mit sauberster Spannung versorgen, gut abblocken, batterie ist nicht schlecht, wenn sie sonst nicht noch irgendwo angeklemmt ist.
2.) nicht gleich mit 300 verstaerken, sondern rauscharm ( gute entkopplung von der versorgung des ersten OP's, gut abgeblockte U/2, da diese dein virtueller GND ist ), verstaerkung etwa 5, mit offsetabgleich, Achtung!! OP an die bruecke, du beziehst dich nun auf U/2, diese mitnehmen zum zweiten OP
3.) trenne versorgungsmasse von messmasse ( U/2 ), fuehre beide am analog GND zusammen ( normalerweise liegt der beim ADC )
4.) trenne die µP versorgung von dem ganzen analogen kram, gut abblocken, multichip keramik C's
5.)sorge fuer eine saubere referenzspannung ( wirf den Tiny weg!!! oder hat der getrennte GND's und ne Uref, glaube NÖ )
6.)auf dem ausgang des ersten OP's darf KEIN rauschen sein, kein störimpuls in bezug zu seiner U/2.
7.) dann verstaerke mit 60 in bezug auf die U/2 vom ersten OP ( auch hier ein diff verstaerker ( signal und U/2 ), beziehe dich auf eine neue U/2 oder auf GND, wie du willst. am besten ist ein bezug auf analog GND, wenn du einen haettest.
so mal in kuerze

[Besserwessi]

Bei der DC Brücke hat man ein Problem mit dem Rauschen oder mit der Drift. Mit choppper Amplifier hat man Rauchen, denn die besten werden so um die 30 nV/Sqrt(Hz) liegen. Mit normalen OPs hat man eine Driftproblem, denn wesentlich unter 1 uV/K kriegt man kaum. Vom Rauchen würde man die 5% wohl noch hinkriegen. Die Güte der Refferenz ist hier unwesentlich, denn es kann ratiometrisch gemessem werden (Ref. = AVCC = Brückenspannung). Ein besserer AD Wandler ist auch kaum sinnvoll wenn man ohnehin soviel Rauschen hat, das ein 8 Bit Wandler reichen würde.

Bei den eher niedrigen Frequenzen (< 1 kHz) kann man auch 300 fach in einer Stufe Verstärken. Gerade die Chopper Amplifier haben eine sehr hohe Verstärkung, wobei der LTC1050 allerdings eine eher niedrige Bandbreite und viel Rauschen hat. Besser wäre z.B. ein AD8551.

[OnkelTobi]

Hi Besserwissi,

der Hinweis auf den AD8551 war sehr gut, in dem Datenblatt ist nämlich ein Plan für genau das, was ich machen will...
Dazu sind noch einige Hinweise , worauf man so achten muss.

@wawa
Danke für die Hinweise.
Viele Tinys z.b. Tiny 461 haben getrennte Massen und eine externe Referenzspannung.

Ich komme erst am kommenden Wochenende wieder zum bauen - da sollten dann alle Bauteile da sein.
Ich werde mich dann auf jeden Fall nochmal melden :)

[elektroheini]

Hallo zusammen und OnkelTobi, schreibe bitte mal wie die Schaltung geworden ist, ich brauche soetwas ähnliches. Nur mit 5m Messkabel 4adrig zu einem DMS, in einer 1/4 Brücke, dms hat 120Ohm und K=2.065. Wie genau kann ich damit, mit einer einfachen Schaltung messen. ich wollte eigentlich einen AD620 verwenden und einen ATMEGA8. Die minimale Dehnung die ich messen möchte, beträgt 0.0001, das sind für Ud ca. 300uV.

[OnkelTobi]

Aus Zeitgründen haben wir die DMS noch nicht aufgeklebt.
Ich habe in der kommenden Zeit auch zu viel zu tun.

Das Projekt muss erst im Sommer fertig sein...