Referat über DMS (Dehnung smessstreifen)

von Mirko Betz und Alexander Koch

1. Dehnung smesss treifen

2. Physikalischer Effekt

3. DMS-Aufbau

4. Kennd aten

5. Verschiedene Formen von DMS

6. Applikation

7. Anwendung sgebiete

8. Vorteile

9. Nachteile

1. Dehnung smesss treifen (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.

2. 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.

3. DMS Aufbau

Dehnungsmessstreifen bestehen aus einer mit Metall beschichteten Trägerfolie, aus der die Form des Messgitters herausgeätzt ist. Dieser Streifen wird mit speziellen Klebern auf das Werkstück aufgebracht (appliziert), mit Anschlussdrähten versehen und meist mit einem Schutzlack abgedeckt.

Folien-Dehnun gsmesss treifen Sie sind die am häufigsten verwendeten Dehnungsmessstreifen. Bei Folien-DMS wird ein metallisches Messgitter in einem galvanischen Verfahren auf eine Trägerfolie aufgetragen. Durch dünne Kunststoffschichten auf beiden Seiten ist das Messgitter mechanisch geschützt. Für Messungen im Höchsttemperaturbereich werden auch Freigitter DMS verwendet (lediglich für Transport und Montage ist hier ein provisorischer Träger vorhanden).

Halbleiter-Dehnu ngsmesss treifen (Piezoresistive-DMS) Hier besteht das Messgitter aus Halbleitermaterial, das sich auf einem Trägermaterial befindet. Halbleiter-DMS sind hochempfindliche Dehnungsmessstreifen, die überwiegend in Drucksensoren eingesetzt werden. Ihr Zusammenhang zwischen Druck und Widerstandsänderung ist sehr linear.

Draht Dehnun gsmesss treifen Das Messgitter besteht aus einem flach gewickelten, eingebetteten, ca. 0,02mm dünnen Dehndraht (Reckdraht). Draht-DMS werden für Messungen mit höchster Genauigkeit verwendet. Mit Dehnungsmessstreifen lassen sich sowohl statische Verformungen von Materialien, als auch dynamische Verformungen (z.B. die Verdrehung (Torsion) einer Antriebsachse bei Lastwechseln) messen. Dehnungsmessstreifen können zur Messung von Materialbeanspruchungen oder Kräften direkt am Messobjekt aufgeklebt werden. Dabei spielt der Kontaktkleber eine sehr wichtige Rolle. Er muss den DMS fest mit dem zu messenden Objekt verbinden, sollte idealerweise keine Wärmeausdehnung besitzen und darf bei mechanischer Beanspruchung (z.B. biegen des Messobjekts) nicht brechen.

4. Kennd aten

Messgitter-Materialien:

o Konstantan 57Cu,43Ni k=2.05 o Karma 20Cr,73Ni, Fe-Al k=2.1 o Nichrome V 20Cr, 80Ni k=2.2 o Platin Wolfram 92Pt, 8W k=4.0

Typischer Widerstand

Kommerziell werden DMS mit den Widerstandswerten 120 Ohm, 350 Ohm, 600 Ohm bzw. 1000 Ohm angeboten.

Dehnun g

Die Dehnung gibt die relative Längenänderung an.

Relative Widerstandsänderung

Bei konstantem Drahtvolumen 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 Gefügeaufbau und die Vorgänge im Gefüge während der Dehnung bestimmt. Der k-Wert liegt bei den meist verwendeten Metallen bei k=2.

Schwingungen

Dehnungen können statisch (keine oder nur langsame zeitliche Änderung) und dynamisch (schnelle Änderungen) gemessen werden. Typisch sind Frequenzen bis 50 kHz.

Die Schwingungsfestigkeit gibt an, wieviele Schwingungen abhängig von der Dehnung ohne Beschädigung oder Genauigkeitsverlust durchgeführt werden können. Typisch sind 10.000.000 Zyklen, was von den meisten Messobjekten nicht erreicht wird.

Querempfindlichkeit

Die Querempfindlichkeit entsteht im wesentlichen durch die Dehnung der Kurvenstücke des Messgitters. Die werden daher verbreitert ausgeführt, um ihren Anteil am Gesamtwiderstand zu verringern.

Temperatur

Bei geeigneter DMS- und Kleberauswahl kann der Temperaturbereich von 4K bis 1200K (900° C) überbrückt werden.

DMS werden mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten (für verschiedene Objektmaterialien, begrenzter Temperaturbereich) angeboten. Längenänderungen aufgrund von Temperaturänderungen führen so nicht zu einem Messsignal, wenn sich das Material frei ausdehnen kann oder wenn der Körper überall die gleiche Temperatur besitzt (selbst-temperaturkompensierende DMS).

In vielen Fällen besteht die Möglichkeit, durch geeignete Brückenschaltungen eine Temperaturkompensation zu erreichen. Erwärmen sich die DMS in einer Halb- bzw. Vollbrücke gleichermaßen, so entsteht dadurch keine Brückenspannung.

weitere Umgebungseinflüsse

o Der Umgebungsdruck ist von Vakuum bis zu hohem Überdruck möglich.

o Die magnetische Flussdichte kann bis über 2T ansteigen. o Abhängig von der Dosis wird auch Kernstrahlung verkraftet.

Genauigkeit

Die Toleranz weicht bei 20° C etwa zwischen 1% und 5% vom eigentlich zu messenden Wert ab..

5. Formen von DMS

Das Standard-Messgitter ist lang (z.B. 6mm) und schmal (z.B. 2mm), besitzt zwei Löt-Anschlusspunkte und wird in Längsrichtung belastet. Es wird nur in dieser einen Lastrichtung gemessen (einachsige Spannungsmessung), die Querempfindlichkeit ist gering.

Die Größe des Messgitters sollte viel größer (z.B. >10-fach) als die Strukturlängen des Messobjektes sein. Bei vielen Metallen sind die kleinsten verfügbaren Gitter verwendbar, wogegen z.B. bei Beton eine große Messgitterlänge erforderlich ist.

Für mehrachsige Messungen sind auf einem Träger mehrere Messgitter in verschiedener Richtung nebeneinander oder übereinander angeordnet (Mehrfachgitter, Kreuzgitter). Bei bekannten Hauptspannungsrichtungen genügen zwei um 90° gegeneinander gedrehte Messgitter, bei unbekannter Hauptspannungsrichtung muss die Dehnung in drei Richtungen erfasst werden.

Zum Aufbau von Halb- und Vollbrücken (und zur Temperatur- und Querkompensation) können sich ebenfalls mehrere Messgitter auf einem Träger befinden.

Um Eigenspannungen in einer Fläche zu ermitteln dienen DMS-Rosetten mit Bohrloch. Es werden die Dehnungen vor und nach dem Durchbohren des Werkstückes gemessen und verglichen.

6. Applikation

Bei der Applikation der DMS 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 verwendet.

Als Klebstoffe sind nur speziell für DMS vorgesehene Kleber zu verwenden. Bei dünner Klebeschicht 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.

7. Anwendung sgebiete

Wägetechnik, Kraft-, Druck-, Drehmomentmesstechnik, mechanische Schwingungsanalyse, Auslenkungen

8. Vorteile

Aufgrund des weit verbreiteten Einsatzes von DMS in den letzten Jahrzehnten besteht eine enorme Auswahl an verschiedenen Arten von DMS, mit verschiedene Messgitter und verschiedenen Leitermaterialien; kostengünstig da hohe Stückzahlen; kleine Abmessungen.

9. Nachteile

Das Aufbringen einer DMS ist sehr zeitintensiv. Lebensdauer ist beschränkt 10.000.000 Zyklen (Ermüdung des DMS-Materials); Empfindlich auf mechanische Beanspruchung (überdehnen).Bei hoher Wechselbeanspruchung kann sich der DMS vom Träger lösen.