Dehnungsmessstreifen (DMS) - Carl-Engler
Werbung
Carl-Engler-Schule Karlsruhe Dehnungsmessstreifen (DMS) 1 (3) 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%. dms-kurz.odt © W. Müller Dez.2012 Carl-Engler-Schule Karlsruhe 4. Dehnungsmessstreifen (DMS) 2 (3) 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“. dms-kurz.odt © W. Müller Dez.2012 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Dehnungsmessstreifen (DMS) 3 (3) 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) dms-kurz.odt © W. Müller Dez.2012
