Kurzinfo zum DMS-Aufbau, Messprinzip und zur Wheatstoneschen

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