Dehnungsmeßstreifen (DMS) - preusser
Werbung
Dehnungsmeßstreifen (DMS) Dehnungsmeßstreifen werden in großem Umfang zum Messen physikalischer Größen im Automobil-, Schiff- und Luftfahrzeugbau, im Maschinenbau, in der Architektur, im Bauwesen und in der Geotechnik, in der Medizintechnik sowie auf vielen weiteren Gebieten eingesetzt. Dehnungen werden gemessen, um z.B. Kräfte und Lastspannungen zu ermitteln, die bedeutsam für die konstruktive Auslegung von Strukturbauteilen sind. Darüber hinaus können mittels Dehnungsmeßstreifen viele physikalische Größen wie z.B. Kraft, Druck, Weg oder Beschleunigung in proportionale elektrische Signale umgewandelt werden, die sich einfach erfassen, überwachen und weiterverarbeiten lassen. DMS-Meßprinzip Wird ein Dehnungsmeßstreifen auf ein Meßobjekt geklebt und an dessen Oberfläche eine Dehnung e erzeugt, so wird diese Dehnung e über den Klebstoff auf den Träger des DMS (elektrisch isolierend) und von diesem auf einen dünnen Widerstandsdraht oder eine Widerstandsfolie übertragen. Dadurch ändert sich die Anfangslänge L des Drahtes bzw. der Folie um den Betrag DL, was zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes R um den Betrag DR führt. Diese Änderung ist proportional zur Dehnung e des Meßobjektes. e - Dehnung R - Anfangswiderstand des DMS Dehnungsmeßstreifen der japanischen Firma TML werden auf der Basis jahr­ zehntelanger Erfahrung und unter strengsten Qualitätsmaßstäben hergestellt. Durch eine permanente Weiterentwicklung der Produktionstechniken sowie die konsequente Auswertung und Umsetzung von Anwenderinformationen kann TML heute eines der weltweit vielseitigsten Programme an Dehnungsmeßstreifen für nahezu jeden erdenklichen Einsatzzweck anbieten. DR - Widerstandsänderung L - Anfangslänge des DMS DL - Längenänderung k - k-Faktor des DMS Allgemeiner Aufbau eines DMS Was versteht man unter Dehnung? Wirkt auf ein Bauteil eine äußere Kraft F ein, so ruft diese in Abhängigkeit von der Kraftrichtung im Bauteil eine entsprechende Zug- oder Druckspannung s hervor. Die Zug- oder Druckspannung s führt wiederum zu einer proportionalen Verformung des Bauteils. Dabei wird die Anfangslänge L um den Betrag DL vergrößert (Zug) oder verringert (Druck). Das Verhältnis der Längenänderung DL zur Anfangslänge L wird als Dehnung e bezeichnet. F F DL 2 e = DL = DR L Rk DL 2 L Ein Dehnungsmeßstreifen besteht aus einem elektrischen Leiter (dem Meßgitter), der auf einem elektrisch isolierenden Trägermaterial aufgebracht und mit Anschlußdrähten versehen ist. Das Meßgitter wird aus einem langen, dünnen Widerstandsdraht gebildet oder mittels fotochemischer Vefahren aus einer dünnen Widerstandsfolie hergestellt. Für das Trägermaterial werden Kunststoffe verwendet, die für den vorgesehenen Einsatzzweck optimal geeignet sind. Diese gewährleisten, daß der DMS mit einem entsprechenden Klebstoff am Meßobjekt befestigt werden kann und daß die Dehnung von der Oberfläche des Meßobjektes fehlerfrei auf das Meßgitter des DMS übertragen wird. Gitterumkehrstellen aktive Meßgitterlänge Meßgitterbreite Meßgitter e = DL L Was ist ein Dehnungsmeßstreifen (DMS)? Wirkt eine äußere Kraft auf einen elektrischen Leiter ein, so ändern sich lastabhängig seine Länge und sein Querschnitt. Dies führt gemäß den physikalischen Gesetzen zu einer Änderung seines elektrischen Widerstandes. Wird der elektrische Leiter auf einem elektrisch isolierenden Material befestigt und mit diesem auf die Oberfläche eines Meßobjektes geklebt, so wird jede lastabhängige Verformung des Meßobjektes auch zu einer Verformung des elektrischen Leiters führen. Die dadurch hervorgerufene Änderung seines elektrischen Widerstandes ist in einem bestimmten Bereich direkt proportional zur lastabhängigen Verformung des Meßobjektes. Aus der Untersuchung dieser physikalischen Effekte entstanden vor mehr als 60 Jahren in den USA die ersten kommerziell hergestellten Dehnungsmeßstreifen, bei denen ein dünner Widerstandsdraht auf einem Papierträger befestigt war. Heutige moderne Dehnungsmeßstreifen bestehen in der Regel aus einem dünnen Kunststoffträger (Epoxid, Polyimid usw.) und einer darauf aufgebrachten dünnen Widerstandsfolie (CuNi, CrNi usw.). Form und Materialien des Dehnungsmeßstreifens werden dabei optimal dem späteren Einsatzzweck angepaßt. GmbH Anschlußdrähte Schutzfolie DL - Längenänderung hervorgerufen durch die Kraft F e = DL = 0,1mm = 0,001 = 1000 x 10-6 = 1000 µm/m 100mm L messtechnik Träger Träger (elektrisch isolierend) e - Dehnung L - Anfangslänge des Meßobjekts Meßobjekt Beispiel: Wird ein Zugstab mit einer Anfangslänge von 100 mm durch eine in seiner Längsachse angreifende Zugkraft um 0,1mm verlängert, so entspricht dies einer Dehnung von: preusser Gitterumkehrstellen Anschlußdrähte Meßgitter (Widerstandsbahn) Klebstoff Auswahlkriterien Der Einsatz von Dehnungsmeßstreifen für das elektrische Messen mechanischer Größen bietet viele Vorzüge; aufgrund des Aufbaus und des Funktionsprinzips der DMS sind diesem jedoch auch gewisse Grenzen gesetzt. Ob ein DMS für eine bestimmte Meßaufgabe eingesetzt werden kann, wird unter anderem durch Temperatureinflüsse, die Anzahl der Lastwechsel, die Größe der zu messenden Dehnungen und andere Umgebungseinflüsse bestimmt. Diese Einflüsse müssen vor der Durchführung der Messung untersucht und bei der Auswahl des DMS und bei der Beurteilung der Meßergebnisse berücksichtigt werden. Einige Vorteile von Dehnungsmeßstreifen im Überblick: - einfacher Aufbau, geringe Masse und geringes Volumen - dadurch keine Rückwirkung auf das Meßobjekt - für lokal eng begrenzte Untersuchungen können sehr dicht nebeneinander liegende Meßstellen realisiert werden - ein hoher Frequenzbereich ermöglicht das Untersuchen dynamischer Vorgänge - aufgrund des elektrischen Meßprinzips können viele Meßstellen gleichzeitig gemessen werden, Fernmessung und automatische Meßdatenerfassung sind möglich und die erhaltenen Meßdaten können schnell und einfach gespeichert und verarbeitet werden Im Schlosspark 11, 51429 Bergisch Gladbach Tel. (02204) 961215, Fax (02204) 961216 [email protected], www.dms-technik.de TML Wheatstonesche Brückenschaltung Da die am Dehnungsmeßstreifen durch die Längenänderung hervorgerufene Widerstandsänderung sehr klein ist, wird in der Regel eine Wheatstonesche Brückenschaltung zur Umwandlung der Widerstands- in eine Spannungsänderung verwendet. Diese besteht in ihrer Grundausführung aus vier Widerständen. Die Höhe der von der Brückenschaltung ausgegebenen Meßspannung Um hängt direkt vom Verhältnis der Widerstandwerte zueinander und von der Höhe der Brückenspeisespannung Ub ab. Sind alle Widerstandswerte gleich, so ist die Brückenschaltung abgeglichen und es wird keine Meßspannung ausgegeben. Ändert sich ein Widerstandwert, so führt dies zu einer Brückenverstimmung und eine entsprechende Meßspannung wird generiert. Diese ist direkt proportional zur Widerstandsänderung DR und damit auch zur Dehnung des Bauteils, auf dem der Dehnungsmeßstreifen befestigt ist. Der kFaktor k des DMS ist dabei der Proportionalitätsfaktor, der bestimmt, in welcher Höhe die Längenänderung DL zu einer Widerstandsänderung und damit zu einer Änderung der Meßspannung Um führt. Durch eine entsprechende Anordnung der DMS auf dem Bauteil und deren richtiges Verschalten in der Meßbrücke kann man ein selektives Verhalten auf bestimmte Belastungsgrößen erreichen. R2 R1 Beispiel einer Brückenschaltung bestehend aus einem Dehnungsmeßstreifen und drei Festwiderständen. Die Meßbrücke wird mit einer konstanten Brückenspeisespannung Ub gespeist. Das Verhältnis der Widerstände R1/R2 und R3/R4 bestimmt die Höhe der Meßspannung Um. Um R4 R3 Im Fall R1=R2 und R3=R4 ist die Meßbrücke abgeglichen und die Meßspannung Um=0. Ub R1 - Widerstand des DMS R1 R3 R2 R4 Um = Ub ( R1 + R2 ) ( R3 + R4) R2~R4 - Festwiderstände Um - Meßspannung Ub - Brückenspeisespannung Mit R1 = R2 = R3 = R4 = R ergibt sich die Meßspannung Um bei Änderung des des DMS-Widerstandes um den Betrag DR wie folgt: Um = Ub DR 4R + 2DR Bei den meisten Dehnungsmessungen gilt DR << R. In diesem Fall kann die oben aufgeführte Gleichung mit hinreichender Genauigkeit wie folgt vereinfacht werden: Um = Ub DR 4R Mit DR / R = ke ergibt sich hieraus: k Um e = Ub 4 k - k-Faktor des DMS e - Dehnung Beispiele einiger gebräuchlicher Brückenschaltungen DMS-Positionierung Schaltung 1/4-Brücke in 2-Leitertechnik aus 1 DMS und 3 Festwiderständen Ausgangssignal 1 Um 1 k Um e = Ub 4 Bemerkungen - einfachste Variante - die Summe der aus allen Belastungskomponenten generierten Dehnung wird angezeigt - keine Kompensation von Kabel- und Temperatureinflüssen Ub 1/4-Brücke in 3-Leitertechnik aus 1 DMS und 3 Festwiderständen 1 Um 1 k Um e = Ub 4 - die Summe der aus allen Belastungskomponenten generierten Dehnung wird angezeigt - Temperatureinflüsse auf das Kabel werden kompensiert Ub 1/4-Brücke in 3-Leitertechnik aus 2 DMS und 3 Festwiderständen, Kompensation von Biegeeinflüssen 2 1 Um 1 k Um e = Ub 4 2 Ub 1/4-Brücke in 2-Leitertechnik aus 4 DMS und 3 Festwiderständen 2 1 1 4 3 2 4 3 Um k Um e = Ub 4 - Kompensation der durch Biegung hervorgerufenen Dehnungsanteile - Temperatureinflüsse auf das Kabel werden kompensiert - Verdopplung des Widerstandes im Brückenzweig des DMS erlaubt höhere Brückenspeisespannung und damit eine Verbesserung der Empfindlichkeit - Vervierfachung des Widerstandes im Brückenzweig des DMS erlaubt höhere Brückenspeisespannung und damit eine Verbesserung der Empfindlichkeit Ub preusser messtechnik GmbH Im Schlosspark 11, 51429 Bergisch Gladbach Tel. (02204) 961215, Fax (02204) 961216 [email protected], www.dms-technik.de TML DMS-Positionierung 1/2-Brücke aus 1 aktiven DMS, 1 Kompensations-DMS und 2 Festwiderständen Schaltung Ausgangssignal 2 1 1 Um 2 k Um e = Ub 4 Ub 1/2-Brücke aus 2 aktiven DMS und 2 Festwiderständen 2 1 Um 1 2 k Um e = Ub 2 Bemerkungen - Kompensation der Temperatureinflüsse auf DMS und Meßobjekt durch einen auf ein Stück des gleichen Werkstoffs geklebten DMS, welches mechanisch unbelastet bleibt und der gleichen Temperatur ausgesetzt wird - die Signale der beiden DMS in den benachbarten Brückenzweigen subtrahieren sich, es wird nur die durch die mechanische Beanspruchung generierte Dehnung angezeigt - Kompensation von Temperatureinflüssen auf DMS und Meßobjekt - Kompensation der aufgrund von Zug- und Druckbeanspruchung und Torsion auftretenden Dehnungsanteile - Verdopplung der Meßempfindlichkeit für den durch Biegebeanspruchung generierten Dehnungsanteil Ub Vollbrücke aus 4 aktiven DMS (längs und quer angeordnet) 1 2 2 Um 1 4 4 3 k Um e (1+u) = Ub 2 u - Poisson-Zahl des Meßobjekt-Werkstoffs 3 - Kompensation von Temperatureinflüssen auf DMS und Meßobjekt - Kompensation der aufgrund von Biegebeanspruchung und Torsion auftretenden Dehnungsanteile - Ausnutzung der Querdehnung zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit Ub Vollbrücke aus 4 aktiven DMS (Torsion) 2 1 2 1 Um 3 4 3 Um = ke Ub 4 - Kompensation von Temperatureinflüssen auf DMS und Meßobjekt - Kompensation der aufgrund von Biegesowie Zug- und Druckbeanspruchung auftretenden Dehnungsanteile - ideale Anordnung mit hoher Meßempfndlichkeit für Torsion Ub preusser messtechnik GmbH Im Schlosspark 11, 51429 Bergisch Gladbach Tel. (02204) 961215, Fax (02204) 961216 [email protected], www.dms-technik.de TML
