Geschichte der DMS-Messtechnik: mit Wheatstone bis zur Cloud

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Die Digitalisierung eröffnete darüber hinaus ganz neue Perspektiven für eine systematische algorithmische Signalanalyse, dem eigentlichen Ziel jeder Testmessung. Damit übernehmen heute individuell anpassbare Computer-Displays die Funktion des starren Papierschriebs. Elektronische Speicherung auf Festplatte, Datenbanken und Cloud-Plattformen machen die Daten für arbeitsteilige und automatisierte Auswertungen verfügbar.

Entsprechend sind Messverstärker auf der Bedienerseite den anfänglichen Schalttafeln mit Knöpfen und Zeigern längst entwachsen und haben sich zu integrierten Software-Systemen entwickelt. Neben der Einstellung von Betriebsparametern decken diese mittlerweile eine Vielzahl von Funktionalitäten ab: von datenbankgestützter Projektverwaltung bis zur Automatisierung des Messprozesses und der Programmierschnittstellen.

Das Front-End ist und bleibt analog

Doch auch die Digitaltechnik benötigt nach wie vor das analoge Front-End zur Sensor-Konditionierung: Zunächst ist eine stabile und präzise Speisung der Brückenschaltung nötig, da ja die DMS-Dehnung repräsentiert wird als relativer Bruchteil der Speisespannung (die sogenannte ratiometrische Auswertung).

Von komfortablen Verstärkern wird darüber hinaus erwartet, eine Halb- oder Viertelbrücke intern zur Vollbrücke zu ergänzen – früher mittels Drehschalter oder Relais, heute durch softwaregesteuerte elektronische Schalter.

Erst wenn das minimale DMS-Signal mit ausreichend präzisen und stabilen Vorverstärkern aufbereitet und gefiltert ist, kann eine Analog-Digital-Wandlung erfolgen (ADC). Damit ist alle weitere Signalverarbeitung digital gestützt und kann von der auf diesem Feld fortschreitenden technologischen Weiterentwicklung profitieren.

So wächst die in Messverstärkern integrierte digitale Signalverarbeitung (basierend auf Mikrocontrollern, DSPs oder in FPGA-Technologie) und deren Rechenleistung immens. Sie erstreckt sich von der statischen Skalierung, Kalibrierung und Justage der bauteilbedingten Toleranzen und Fehler, über dynamisch nachgeführte Korrektur- und Kompensationsalgorithmen (Temperatur- oder Kabeleinflüsse), den automatischen Abgleich der stets individuellen DMS-Null-Lage, bei Trägerfrequenz auch mit Phasenabgleich, Shunt-Kalibrierung, bis hin zu Signalfiltern und live berechneten Analysen wie Rosetten oder FFT-Spektren.

Was früher durch Bedienfelder voller Schalter und Potis manuell eingestellt werden musste, ist heute per Maus-Klick konfigurierbar. Entsprechend geht der Trend zunehmend vom Spezialsystem zum Universalverstärker, der für aktuelle Aufgaben flexibel konfiguriert werden kann – auch für andere Sensor- und Signaltypen wie beispielsweise Temperatur, Strom, Widerstand und Beschleunigung. Dem Sensor zugeordnete Speicher-Chips mit elektronischem Sensordatenblatt (TEDS) können dies komfortabel unterstützen, beispielsweise beim modularen Rüsten umfangreicher Test-Anordnungen, auch wenn dies sich bislang noch nicht auf breiter Front durchsetzen konnte.

Die Technologie-Entscheidung Trägerfrequenz (TF) oder DC-Modus ist heute längst keine Glaubensfrage mehr. Das TF-Modulationsverfahren hat die Eigenschaft, jegliche Offset-Drift und niederfrequente 50-Hz-Netzstörungen inherent zu unterdrücken; nämlich durch die Transformation auf den Trägerfrequenzbereich von typisch 4,8 kHz – vergleichbar der AM-Modulation. Dies war gerade in der Anfangszeit ein entscheidender Vorteil, als die Stabilität DC-gekoppelter Verstärker noch eine enorme Herausforderung darstellte.

Moderne Halbleitertechnologie hat diese Grenzen verschoben und kann mit dem DC-gekoppelten Ansatz wiederum TF-Limitierungen überwinden, etwa die begrenztere Bandbreite und Phasenempfindlichkeit. Auch in Anwendungen in denen potenzielle Störungen nicht mehr nur auf den Netzfrequenz-Bereich begrenzt sind, wie dies zunehmend gegeben ist, sondern sogar in den TF-Bereich selbst fallen können, ist diese Technologieentscheidung heute nicht mehr so eindeutig festzumachen – wie ohnehin die Trägerfrequenz-Technologie in den USA nie in gleichem Maße populär war wie in Europa.

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Meilensteine der Elektronik

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