Dehnungsmessstreifen (DMS) - Carl-Engler

Carl-Engler-Schule Karlsruhe
Dehnungsmessstreifen (DMS)
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Dehnungsmessstreifen (DMS)
Dehnungsmessstreifen sind auf einer Trägerfolie aufgebrachte dünne Leiterbahnen, die bei mechanischen
Spannungen ihren Widerstand verändern. Sie werden fest mit einer Werkstücks-Oberfläche verklebt. Für
die sehr kleinen Widerstandsänderungen sind spezielle Schaltungen und Messgeräte erforderlich. Neben
der Größe und Richtung mechanischer Spannungen lassen sich auch damit verbundene Größen wie Weg,
Kraft, Druck oder Beschleunigung messen.
1.
Physikalischer Effekt
Bei mechanischer Belastung (Spannung) eines Drahtes (Metall) vergrößert sich dessen elektrischer Widerstand. Ursachen sind vor allem die Vergrößerung der Länge und die Verringerung der Querschnittsfläche,
bei starker Dehnung auch Umkristallisierung.
William Thomson (Lord Kelvin) hat 1856 diesen Effekt nachgewiesen. Er verwendete dazu die von Charles
Wheatstone 1843 entwickelte Wheatstonesche Brückenschaltung.
2.
DMS Aufbau
Dehnungsmessstreifen bestehen aus einer mit Metall beschichteten
Trägerfolie, aus der die Form des Messgitters herausgeäzt ist.
Dieser Streifen wird mit speziellen Klebern auf das Werkstück aufgebracht (appliziert), mit Anschlussdrähten versehen und meist mit
einem Schutzlack abgedeckt.
3.
Kenndaten
Messgitter-Materialien:
 Konstantan 57Cu,43Ni k=2.05
 Karma 20Cr,73Ni, Fe-Al k=2.1
 Nichrome V 20Cr, 80Ni k=2.2
 Platin Wolfram 92Pt, 8W k=4.0
Typischer Widerstand
Kommerziell werden DMS mit den Widerstandswerten 120Ω, 350Ω, 600Ω bzw. 1000Ω angeboten.
Dehnung
Die Dehnung gibt die relative Längenänderung an.
Relative Widerstandsänderung
Bei konstantem Drahtvolumen (Querkontraktion, Poissonzahl µ=0.5) vergrößert sich der
Widerstand bei Dehnung durch die Verlängerung genau so stark wie durch die Abnahme
der Querschnittsfläche.
k-Wert
Der k-Wert gibt an, um welchen Faktor die relative Widerstandsänderung über der relativen Längenänderung liegt. Bei hohem k-Wert ergibt sich bei gleicher Dehnung eine große Widerstandsänderung (und damit
ein hohes Messsignal). Der k-Wert wird auch durch den Gefüge-Aufbau und die Vorgänge im Gefüge
während der Dehnung bestimmt. Der k-Wert liegt bei den meist verwendeten Metallen bei k=2.
Dehnbarkeit
Der elastische Bereich erlaubt eine maximale Dehnbarkeit von ca. 3%, was aber in der Praxis meist nicht
ausgenutzt wird.
Genauigkeit
Die erreichbare Genauigkeit liegt bei 20°C etwa zwischen 1% und 5%.
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4.
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Applikation
Der Begriff der Applikation kann hier zwei unterschiedliche Bedeutungen haben. Zum einen versteht man
darunter den Anwendungsfall wie z.B. Kraftmessung, Dehnungsüberwachung, Spannungsanalyse usw. Zum
anderen versteht man darunter das Aufbringen, Verkleben, Anschließen einen DMS auf dem Trägermateri al.
Bei der Applikation der DMS (im zweiten Sinne) muss sehr sorgfältig gearbeitet werden, damit später die
Werkstoffdehnung vollständig auf die DMS übertragen wird.
Bei der Vorbereitung der Unterlage werden nach einer Grobreinigung meist organische Lösungsmittel ver wendet.
Als Klebstoffe sind nur speziell für DMS vorgesehene Kleber zu verwenden. Bei dünner Klebeschicht und
und einem großen E-Modul des Klebers im ausgehärteten Zustand wird die Dehnung gut übertragen.
Zur Zugentlastung der Anschlussdrähte sind eventuell separate Lötpunkte auf das Messobjekt zu kleben.
Eine Lötung stellt die dauerhafte Verbindung ohne veränderliche Übergangswiderstände dar.
Beim Löten dürfen nur Lötmittel (z.B. Weichlot) verwendet werden, die kein korrodierendes Flussmittel
enthalten (Kolophonium geeignet, Lötfett ungeeignet).
Beim Leitermaterial spielen die Lötbarkeit, der elektrische Widerstand, die Isolation und die Flexibilität
eine Rolle. Durch abgeschirmte Kabel lässt sich die Einstreuung von Störungen verringern.
Zum Schutz gegen mechanische Einwirkungen, Verschmutzung und Feuchte erfolgt eine Abdeckung mit
Lackschichten , Kitt, Kautschuk oder Epoxidharz.
Durch die Entwicklung spezieller Trennmittel/Kleber-Kombinationen und Applikationsverfahren ist eine
Wiederverwendung von DMS möglich.
5.
Brückenschaltung
In Brückenschaltungen ergibt sich als Mess-Signal eine Spannungsdifferenz. Das Messgerät kann bei den
kleinen Werten der Differenz in einem kleinen Messbereich mit höherer Empfindlichkeit arbeiten. Außer dem wirken manche Störungen in Brückenschaltungen auf entsprechende Brückenzweige und kompensieren sich dadurch.
Vollbrücke in 4-Leiter-Technik
Bei der Vollbrücke sind alle vier DMS aktiv. Je zwei diagonal gegenüberliegende DMS sind derselben
Dehnung ausgesetzt. Unterscheidet sich die Dehnung der beiden anderen DMS davon immer nur durch das
Vorzeichen, erhält man eine lineare Brückenspannung mit dem vierfachen Wert einer Viertelbrücke.
Einzelne DMS können auch durch Festwiderstände ersetzt werden, was jedoch die Empfindlichkeit herab
setzt. Die Schaltungen heißen dann „Viertelbrücke“ bzw. „Halbbrücke“.
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Empfindlichkeit und Linearität
Empfindlichkeit der Brückenschaltung gibt an, wie sich die Signalspannung pro relativer Widerstandsände rung (eines bzw. mehrerer DMS) verhält. Da die Signalspannung auch von der Spannung der Brückenversor gung abhängt, wird sie in mV/V angegeben.
Möchte man die Empfindlichkeit auf die relative Dehnung beziehen, ist der k-Faktor der DMS einzubeziehen.
Die Linearität zwischen Dehnung und Brückenspannung ist nur gegeben, wenn sich der Gesamtwiderstand
in jedem Brückenzweig während der Belastung nicht ändert. Sonst ist die Linearität nur näherungsweise
bei kleinen Auslenkungen erfüllt.
Zur Nichtlinearität trägt auch der von Null verschiedene Innenwiderstand der Spannungsquelle und der
Leitungswiderstand der Brücken-Versorgung bei, sowie der endliche Eingangswiderstand des Verstärkers.
Die Brücke kann auch mit einem Konstantstrom versorgt werden, was aber in der Praxis seltener anzutref fen ist.
6.
Sonstiges
Fehler-Einflüsse
Während des Betriebs sind insbesondere folgende Fehlereinflüsse zu kontrollieren:
 Temperaturänderungen an DMS und Zuleitungen (Widerstandsänderung, Thermospannung)
 Joulesche Wärme im Messgitter durch die Strombelastung (Messstrom)
 Magnetische Felder können Magnetostriktion (am Messobjekt, am Messgitter) hervorrufen. Bei ver -
änderlichem Magnetfeld entstehen Induktionsspannungen.
 Hysterese bei starker Dehnung
 Feuchtigkeit von außen oder durch die Verkapselung eingeschlossen
 Bei der Messung der Dehnung an dünnen Blechen ist das Messgitter deutlich weiter von der neutra-
len Faser des Bleches entfernt als die Blechoberfläche. Dies muss durch eine entsprechende Korrektur berücksichtigt werden.
 Instabilitäten der Spannungsversorgung und des Verstärkers
 Vakuum beeinträchtigt die Messung nicht. Allerdings kann die Ausgasung von DMS, Kleber und Lack
das Vakuum beeinträchtigen.
Anwendungen
Messung von
 Dehnung
 Spannung
 Kraft
 Masse
 Weg, Position
 Druck
 Beschleunigung
 Drehmoment
 Torsion, Winkel
 Strukturschwingungen (Modalanalyse)
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