Messung der Auflösung

Eine "sinnvolle Unterscheidung" zweier Messwerte ist z.B. dann gegeben, wenn der Mensch in der grafischen Anzeige der Messwerte einen deutliche wahrnehmbaren Unterschied sieht. Dies bedeutet, dass der Unterschied über eine ausreichend wahrnehmbare Zeitdauer und über eine ausreichend wahrnehmbare Amplitude sichtbar ist.

Auflösung = 1x Rauschamplitude (gemäß Spitzenwert-Definition)

ME-Meßsysteme definiert als Auflösung die Differenz zwischen Maximalwert und Minimalwert der letzten 10 Sekunden bzw. alternativ der letzten 100 Messwerte.

Dies ist eine strenge Definition der Auflösung. Alternativ könnte man auch den Gleichricht-Mittelwert (RMS-Wert) der letzten 3 Sekunden heranziehen, oder auch die letzten 30 Messwerte.

Übertragen auf einen Grafik Bildschirm könnte man sagen: Für die Auflösung muss 1x Strichbreite als Unterschied zu sehen sein, deutlich wahrnehmbar zu sein.

Teile = Messbereich / Auflösung

Da die absolute Auflösung in der Regel sehr klein gegenüber dem Messbereich ist (z.B. 1/10.000 bis 1/100.000 des Messbereichs), und da sie abhängig vom Messbereich des Sensors ist, bilden wir bei ME-Meßsysteme einen relativen Zahlenwert für die Auflösung: Wir beziehen die Auflösung auf den Messbereich und bilden (der besseren "Lesbarkeit" wegen) den Kehrwert davon.

Da die Auflösung wesentlich durch den verwendeten Messverstärker bestimmt wird, wird die Auflösung auf den Standard Messbereich 2.0 mV/V oder 3.5 mV/V des Messverstärkers bezogen.

Die Auflösung ist somit beschrieben durch einen Zahlenwert. Dieser Zahlenwert beschreibt, wie oft der Messbereich in Strichbreiten eingeteilt werden kann. Je höher die Anzahl der Teile, desto besser ("höher") die Auflösung.

Die Software GSVmulti erlaubt die Anzeige der Auflösung anhand verschiedener Definitionen: Auflösung als Zahlenwert in "Teilen", Auflösung als dimensionsbehaftete, absolute Größe "Spitzenwerte Max minus Min", Auflösung als Rauschamplitude in dezibel, etc.

Einflussfaktoren auf die Auflösung

Die relative Auflösung (bezogen auf den Messbereich) ist im Wesentlichen ein Qualitätsmerkmal des Messverstärkers: Das Eigenrauschen der ersten Verstärkungsstufe ist maßgebend für die Auflösung. Die Auflösung des Analog/Digital Umsetzers (das Digitalisierungsrauschen) ist in der Regel bei 16 oder 24 Bit Technik besser (feiner) als die Rauschamplitude.

Dieser Sachverhalt ist auch dafür verantwortlich, dass eine exakte Anpassung der Verstärkung auf den Messbereich des Analog/Digital Umsetzers zu keiner deutlichen Verbesserung der Auflösung führt: Eine Verdoppelung der Verstärkung bedingt auch eine Verdoppelung der Rauschamplitude.

Bandbreite

Die Bandbreite der Messungen bestimmt im wesentlichen die Rauschamplitude. Wird die Bandbreite durch Filter auf z.B. 0...10Hz eingeschränkt, ist die Rauschamplitude deutlich geringer, als bei einer Bandbreite von 0...100Hz oder gar 0...1kHz.

Bei einem über alle Frequenzanzteile gleichverteiltem Rauschen (weißes Rauschen) ergibt sich bei 10-facher Bandbreite eine √10 ≈ 3 -fache Rauschamplitude.

Schirmung, Erdung, Massekonzept

Neben dem "Eigenrauschen" des Messverstärkers bestimmen äußere Einflüsse die erreichbare Auflösung. Insbesondere die Schirmung der Sensor-Leitungen ist eine wesentliche Voraussetzung für eine hohe Auflösung.

Weitere Einflüsse sind z.B.

• nicht sternförmig verlegte Masse-Leitungen (Brummschleifen),
• leitungsgebundene Einstreuungen über USB-Ports,
• Netzteile,
• kapazitive Einstreuungen (insbesondere bei 1/4-Brücken) durch fehlende Erdung.

Umwelteinflüsse

Vibration, Luftzug oder Eintrag von Wärmeverringern die Auflösung.

Einfluss der Brückenspeisespannung

Eine höhere Speisespannung wird oft als Maßnahme zur Verringerung des Rauschens in Betracht gezogen, da mit einer Erhöhung der Speisung - und somit des Brücken-Ausgangssignals - eine Verringerung der Verstärkung und somit eine Verringerung des Eigenrauschens verbunden ist.

Die zeitlich und räumlich ungleichmäßge Eigenerwärmung der Dehnungsmessstreifen innerhalb eines Sensors führt jedoch zu einem thermischen Rauschen, das die Auflösung reduziert. Als optimale Speisespannungen haben sich 2.5V bis 5V bewährt. Hohe Widerstände der Dehnungsmessstreifen führen zu höherem Widerstands-Rauschen und zu mehr Einstreuungen aufgrund der höheren Eingangsimpedanz der Messkette.

Eine Reduzierung der Brückenspeisespannung kann zu einer besseren Stabilität der Brückenschaltung führen.

Einfluss der Dehnungsmessstreifen

Ein höherer k-Faktor des Dehnungsmessstreifens führt nicht zwangsläufig zu einer höheren Auflösung. Für eine hohe Auflösung ist eine gute "Selbstkompensation" und vor allem ein möglichst gleichartiges zeitliches Verhalten bezüglich Drift und Kriecherscheinungen erforderlich.

Die folgenden Zahlen verdeutichen die Anforderungen:

• typische maximale Dehnung eines Sensors: 1000 µm/m
• erreichbare Auflösung "10000 Teile" : 0,1 µm/m
• zugrundeliegende Widerstandsänderung bei 0,1 µm/m: 0,05 10E-6 * 350 Ohm = 17,5E-6 Ohm.
• thermische Ausdehnung von Aluminium: 23 µm/m /K
• erforderliche thermische Symmetrie für 0,1 µm/m: 1/230 K = 0,004 K
• absolute Längenänderung bei 3mm Messgitterlänge: 0,1 µm/1000mm * 3mm = 0,0003 µm = 0,3 nm
• Abstand zweier Atome: ca. 0,1 nm

Tatsächlich beträgt die maximale Dehnung der meisten Sensoren nur 500µm/m, die Auflösung des Messverstärkers GSV-8 beträgt ca. 100000 Teile und die Messgitterlänge ist oft nur 1,6mm!