Technisches Informationsblatt 02/01

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1 Technisches Informationsblatt 02/01 Halbleiter-DMS Kennwerte und Gebrauchsanweisung für Halbleiter Dehnungsmessstreifen ZSE bietet in seinem umfangreichen DMS-Programm (ZSE DMS-Katalog ) auch eine breite Palette unterschiedlicher Halbleiter-DMS an. Um dem Anwender den Umgang mit diesen Streifen zu erleichtern, beschreibt dieses Technische Informationsblatt die wesentlichen dabei zu beachtenden Punkte. 1. Eigenschaften von Halbleiter-Dehnungsmessstreifen Der große Vorteil der Halbleiter-DMS liegt in ihrem großen k-faktor, der ein Vielfaches der herkömmlichen DMS mit metallischem Messgitter (Kupfer oder Nickellegierung) beträgt. Das können Folien-DMS oder auch Draht-DMS sein, die im folgenden als metallische DMS bezeichnet werden. Der k-faktor gibt die Empfindlichkeit eines DMS wieder. Wenn auf einen am Messobjekt installierten DMS in dessen Messrichtung eine Dehnung ε einwirkt, dann besteht Proportionalität zwischen der Dehnung ε und der relativen Widerstandsänderung R/R. Der k-faktor ist hierbei die Proportionalitätskonstante und wird mit k bezeichnet: R = k R Der Widerstand R eines Leiters ist mit l R = ρ (2) A gegeben, wobei ρ der spezifische Widerstand des Leitermaterials, l dessen Länge und A seine Querschnittsfläche sind. Bei Dehnung des Leiters treten gleichzeitig Verlängerung, Querschnittsveränderung und Änderung des spezifischen Widerstands ein. Die dadurch verursachte Widerstandsänderung lässt sich durch partielle Differentiation von Gleichung (2) beschreiben ε (1) R R = ρ + ρ l l A A (3) Die Querschnittsänderung ist über die Poissonsche Zahl ν mit der Längenänderung verknüpft: R l = 2 ν (4) R l 1

2 Durch Einsetzen in Gleichung (3) erhält man Da l l = ε folgt aus den Gleichungen (1) und (5) R l ρ = ( 1 + 2ν ) + (5) R l ρ ρ 1 = 1 + 2ν + ρ ε k (6) Mit Gleichung (6) ist eine allgemein gültige Definition des k-faktors für Widerstände gegeben, die sowohl für metallische als auch für Halbleiter-DMS gilt. Bezeichnet man den piezoresistiven Koeffizienten des Halbleitermaterials mit π l und den Elastizitätsmodul mit E, dann erhält man ρ 1 = π ρ ε Damit kann Gleichung (6) wie folgt geschrieben werden: l E (7) k = 1 + 2ν + π E (8) Der Faktor π l zeigt eine große Anisotropie bezüglich der Kristallisationsrichtung des Halbleiter-Werkstoffs. Die Richtung, in der der Messstreifen aus dem Kristall geschnitten wird, wird so gewählt, dass das Produkt π l E in Gleichung (8) möglichst groß ist. (z.b. wird π l am größten in der [1-1-1] Richtung bei P-Silizium und in der Richtung [1-0-0] bei N-Silizium). Hierin unterscheiden sich die Halbleiter DMS wesentlich von den metallischen DMS, bei denen der Widerstand fast vollständig von der geometrischen Konfiguration abhängig ist. Die großen k-faktoren der Halbleiter-Streifen ermöglichen vereinfachte Messsysteme im Hinblick auf die erforderliche Verstärkung. In einzelnen Fällen lässt sich eine Dehnungsanzeige auch ohne Messverstärker verwirklichen. Das erlaubt nicht nur einfache und kostensparende Messungen sondern ermöglicht auch bemerkenswerte Vorteile beim Messen sehr schneller Vorgänge. Mit dem erfolgreichen Einsatz von Dehnungsmessstreifen sind auch bemerkenswerte Fortschritte in der Entwicklung von Messverstärkern verbunden, (dynamisches Verhalten, Stabilität, Miniaturisierung). Allerdings sind die Bandbreiten der Verstärker begrenzt. Das ist der Grund für die Grenzen, die den Verstärkern im Hinblick auf das Erfassen und Analysieren von Stoßwellen uns anderer sehr schneller Vorgänge gesetzt sind. Halbleiter-DMS können Signale ohne Messverstärker messen und eröffnen damit eine Lösungsmöglichkeit für das Messen sehr schneller Vorgänge. Mit den weiteren Eigenschaften wie hohe Eigenfrequenz und sehr kleine Abmessungen sind zusätzliche Vorteile für entsprechende Anwendungsfälle verbunden. Die hohe Empfindlichkeit der Halbleiter-DMS ermöglicht das Erfassen von kleinen Dehnungen, die mit konventionellen metallischen DMS nicht gemessen werden können. Andererseits zeigen die Halbleiter aber durch thermische Einflüsse hervorgerufene Empfindlichkeitsänderungen, die das zehn- bis hundertfache der Temperatur- 2 l

3 empfindlichkeit metallischer DMS betragen. Damit verbunden ist die Forderung nach besonders sorgfältiger Temperaturkompensation, wenn sehr kleine Dehnungen gemessen werden sollen. Ein weiterer Vorteil der Halbleiter-Streifen besteht in der Möglichkeit negativer k-faktoren. Das eröffnet die Möglichkeit der Herstellung selbst temperaturkompensierter Streifen aus der Kombination von N-Silizium und P-Silizium. Neben den bisher aufgezählten Vorteilen haben Halbleiter-Streifen aber auch einige Nachteile, die im folgenden zusammengestellt sind: 1. Schlechtes Linearitätsverhalten zwischen Widerstandsänderung R/R und der Dehnung ε (der k-faktor ist unterschiedlich bei Zug- und Druckdehnung). 2. Die Eigenschaften sind stark beeinflussbar durch den verwendeten Klebstoff und den Aushärtungsvorgang. 3. Große Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit 4. Großer Temperatureinfluss auf den k-faktor 5. Die Halbleiter-DMS sind sehr empfindlich gegen mechanische Beschädigung 6. Die geringe maximale Dehnbarkeit schränkt die Installationsmöglichkeit auf gekrümmten Flächen ein. 7. Große Streubreite des Widerstands der Halbleiter-Streifen 8. Der Widerstand kann durch Licht beeinflusst werden- Einige der aufgezählten Nachteile können jedoch durch sorgfältige Behandlung ausgeschaltet werden. 2. Kenngrößen der Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 2.1 Widerstand Die Nennwerte der auf dem Markt angebotenen Halbleiterstreifen betragen wie bei den metallischen DMS 60 Ω, 120 Ω, 350 Ω und 1000 Ω. Darüber hinaus werden auch Halbleiter mit hohen Widerständen wie 5 kω und 10 kω angeboten. Der Widerstand eines Halbleiter-Streifens ändert sich beim Aufkleben durch die beim Aushärten des Klebers eintretende Kontraktion sowie durch den bei einer Heißhärtung erforderlichen Anpressdruck. Beim Aufkleben wird der Kleber unter höherer Temperatur ausgehärtet. Wenn danach wieder die normale Temperatur erreicht ist, tritt am DMS die durch Gleichung (8) beschriebene Dehnung ein ( β ) T ε ρ = β (9) Hierbei sind ε ρ die durch das Heißhärten eingetretene Dehnung, β s der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Messobjekts, β g der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Messelements und T die Differenz zwischen Aushärtungstemperatur und Umgebungstemperatur. s g 3

4 Generell ist der Wert β g für Halbleiter sehr klein (ca. 3, / C), so dass β s > β g. Als Folge tritt im Streifen die mit ε ρ bezeichnete Druckdehnung auf. Da im DMS durch das Aushärten eine Druckdehnung entsteht, steigt dabei der Widerstand bei N-Silizium, während er sich bei P-Silizium verringert. Dies erfordert eine sorgfältige Auswahl der Widerstandswerte der P- und N-Elemente, besonders dann wenn sie in Kombination eingesetzt werden. 2.2 k-faktor Bild 1 zeigt den Zusammenhang zwischen der zu messenden Dehnung und der relativen Widerstandsänderung R/R des Halbleiter-DMS. Wie im Bild zu sehen, tritt mit steigender Dehnung bei dem P-Silizium eine positive Widerstandsänderung und bei dem N-Silizium eine negative Widerstandsänderung ein. Somit besitzt der N-Typ einen positiven und der N-Typ einen negativen k-faktor. Bild 1: Dehnungsabhängige Widerstandsänderung R/R für P- und N-Silizium Das Bild zeigt deutlich, dass der Zusammenhang zwischen Dehnung und der relativen Widerstandsänderung R/R nicht streng linear ist. Der k-faktor ist als Anstieg der betrachteten Kurve zu verstehen und ändert sich entsprechend dem Dehnungswert. Die k-faktoren der marktgängigen Halbleiter-Streifen werden typischerweise durch den bei 500 µm/m oder 1000 µm/m gemessenen Wert angegeben. Hierbei ist zu beachten, dass die Werte bei Zugdehnung und bei Druckdehnung differieren (siehe Bilder 2 und 3). Der scheinbare k-faktor ändert sich auch durch den Anpressdruck bei der Installation. Das bewirkt die in Bild 1 eingezeichnete Verschiebung des Arbeitspunkts vom Punkt 0 zu Punkt 0 oder 0. Im allgemeinen ist der N-Typ hinsichtlich der Linearität dem P-Typ unterlegen. Mit größer werdendem Widerstand wird auch die Linearität schlechter. 4

5 Bild 2: Dehnungsabhängige Widerstandsänderung R/R für einen P-Typ Halbleiter Bild 3: Dehnungsabhängige Widerstandsänderung R/R für einen N-Typ Halbleiter 5

6 Die Abweichung der k-faktoren vom Nennwert ist bei Halbleitern wesentlich größer als bei metallischen DMS. Die Gesamtabweichung bleibt jedoch im Bereich von ±10 % vom Nennwert. Innerhalb eines Fertigungsloses sind die Abweichungen jedoch geringer, sie liegen im allgemeinen bei ca. ±2 % bis ±3 % vom Mittelwert des Loses. Die Bilder 2 und 3 charakterisieren die dehnungsabhängige Widerstandsänderung für P- und N-Silizium. 2.3 Temperatureinfluss auf die Empfindlichkeit Der piezoresistive Koeffizien π l aus Gleichung (8) ist temperaturabhängig. Somit ist auch der k-faktor des Streifen eine Funktion der Temperatur. Je größer der Widerstand, um so größer ist auch die temperaturbedingte Empfindlichkeitsänderung. Die Bilder 4 und 5 zeigen den Temperatureinfluss auf die Empfindlichkeit für den P- und den N-Typ. Auf der senkrechten Koordinate ist das prozentuale Verhältnis der Änderung des k-faktors k T bei der Temperatur T im Vergleich zum k-faktor k 0 bei Raumtemperatur aufgezeichnet. Bild 4: Temperatureinfluss auf die Empfindlichkeit bei P-Typ Halbleiter Bild 5: Temperatureinfluss auf die Empfindlichkeit bei N-Typ Halbleiter Der Empfindlichkeitsverlust durch Temperaturänderung kann bei Halbleiterstreifen zu einem gewissen Grad durch die Anwendung einer mit Konstantstrom gespeisten Brückenschaltung ausgeglichen werden, wie nachfolgend erklärt. Die Brückenausgangsspannung E 0 der in Bild 6 gezeigten Schaltung wird beschrieben durch 6

7 E Ei = 4 k E 0 s. Bei der mit Konstantstrom gespeisten Brücke steigt für die Konstanthaltung des Speisestroms die Brückenspeisespannung E an, wenn der Widerstand des Halbleiters mit steigender Temperatur anwächst. Bild 6: Brückenschaltung Das führt zu bei konstanter Dehnung ε zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung E 0, wodurch sich die scheinbare Empfindlichkeit vergrößert und den temperaturbedingten Abfall der Empfindlichkeit verringert. Bild 7 zeigt dazu ein Beispiel. Bild 7: Verbesserung des Empfindlichkeitsverlusts durch Konstantstromspeisung Somit kann die Konstantstromspeisung die durch die Widerstandsänderung verursachte Nichtlinearität der Brücke verringern. 2.4 Temperaturbedingte Widerstandsänderung Der größte Nachteil der Halbleiter-DMS ist ihr großer Temperaturkoeffizient. Verant- wortlich dafür ist die Dichte der Fremdatome im Kristall, die den spezifischen Widerstand des Materials beeinflusst. Für Silizium steigt der Temperaturkoeffizient mit größer werdendem spezifischen Widerstand. Der Temperaturkoeffizient eines auf einem Messobjekt installierten Halbleiterstreifens ist mit der folgenden Gleichung gegeben 7

8 γ α + k ( β β ) = (10) hierbei sind γ der Temperaturkoeffizient des Halbleiterstreifens nach dem Aufkleben, α der Temperaturkoeffizient des Messelements, k s der k-faktor, β s der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Messobjekts und β g der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Messstreifens. Die Bilder 8 und 9 geben das Temperaturverhalten von Halbleiterstreifen des P- und N-Typs wieder. Bezieht man die vertikalen Koordinatenwerte auf den k-faktor bei Raumtemperatur (Division), dann erhält man die durch den Temperatureinfluss generierte scheinbare Dehnung. Anmerkung: Wir stellen wie bei den metallischen DMS auch selbst-temperaturkompensierte Halbleiterstreifen des N-Typs her. s s g Bild 8: Temperarturcharakteristik der P-Typ-Halbleiterstreifen Bild 9: Temperaturcharakteristik der N-Typ-Halbleiterstreifen 2.5 Maximal zulässige Dehnung Das Halbleiterelement ist spröde. Die maximal zulässige Dehnung ist in vielen Fällen bei Druckbeanspruchung größer als bei Zug. Bei Silizium beträgt die Grenze bei Zug 3000 µm/m und bei Druck 5000 µm/m. 8

9 In realen Anwendungsfällen werden die Halbleiterstreifen fast nie bis an ihre Dehnungsgrenze belastet und machen diesbezüglich keine Probleme. In vielen Fällen ist die Ursache für Beschädigungen fehlende Sorgfalt bei der Handhabung und die Installation an zu stark gekrümmten Flächen. Bei der Installation der Halbleiterstreifen an zylindrischen Oberflächen ist mit einem Zylinderradius von 25 mm eine untere Grenze gesetzt. 2.6 Andere Kennwerte Die Dauerschwingfestigkeitswerte der Halbleiterstreifen differieren je nach Art und Anordnung der verwendeten Elemente. Sie ertragen wechselnde Dehnungen von ±1000 µm/m mit einer Lastspielzahl von 10 6 bis Die Querempfindlichkeit von Halbleiter-DMS liegt generell unter 1 %, da der k-faktor entsprechend Gleichung (8) durch Anisotropie geprägt ist und der Streifen keine Umkehrstellen besitzt. Halbleiterstreifen sind lichtempfindlich und ändern ihren Widerstand bei starker Lichteinstrahlung. Dabei beträgt die Widerstandsreduzierung ca. 0,1 % bei lx (die Lichtintensität direkter Sonneneinstrahlung liegt zwischen und lx), so dass dieser Effekt im Normalfall zu vernachlässigen ist. Beim Messen sehr kleiner Dehnungen empfiehlt sich jedoch eine Abschirmung gegen direkte Einstrahlung. 3. Auswahl von Halbleiterstreifen 3.1 Arten von Halbleiterstreifen Zur Herstellung von Halbleiter-DMS werden hauptsächlich Germanium (Ge) und Silizium (Si) verwendet. Aufgrund der Herstellungsverfahren bestehen fast alle heute am Markt verfügbaren Halbleiterstreifen aus einem Einkristall ( bulk gages ). Dünnschicht Halbleiterstreifen ( deposition gages ) werden im Vakuum durch Aufdampfen einer Ge-Schicht auf eine mit einer SiO 2 -Isolierschicht versehene metallische Basis erzeugt. Diese Streifen haben einen vergleichsweise niedrigen k-faktor von ca. 30 und verhalten sich ähnlich wie metallische DMS. Sie werden in kompakten Druckaufnehmern eingesetzt. Auch mittels Diffusionstechnik ( diffusion gages ) sind Halbleiterstreifen herstellbar. Die durch Diffusion auf einer Membran erzeugten Widerstandselemente besitzen einen hohen spezifischen Widerstand. Ihre Eigenschaften ähneln denen der bulk gages. Da sie nicht aufgeklebt werden müssen, haben sie hervorragende Eigenschaften hinsichtlich Kriechen und Hysterese. Diese Streifen eignen sich besonders für die Massenproduktion und erfreuen sich weiter Verbreitung in low-cost -Druckaufnehmern. Im Hinblick auf den piezoresistiven Effekt der Halbleiterstreifen unterscheidet man den P-Typ mit positivem k-faktor und den N-Typ mit negativem k-faktor. Es gibt auch Messelemente, in denen beide Typen in Kombination angewendet werden. Neben den vorstehend klassifizierten Typen bietet der Markt weitere Arten von Halbleiterstreifen für die Lösung unterschiedlicher Anforderungen an. Dazu gehören auch Rosetten. 9

10 3.1.1 Standard Halbleiter-Streifen Auf der Basis von P-Type-Elementen zeigen diese Streifen eine gut ausgewogene Charakteristik. Obwohl einige Features fehlen, eignen sie sich bei einfacher Anwendung für allgemeine Dehnungsmessungen Selbst temperaturkompensierte Halbleiter-DMS Für eine vollständige Temperaturkompensation muss der in Gleichung (9) definierte Temperaturkoeffizienten γ zu Null werden. Damit entsteht aus Gleichung (9) α k s ( β β ) = (10) Da der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient eines Halbleiters sehr klein ist, hat der Term (β s -β g ) in Gleichung (10) einen positiven Wert. Um die Gleichung zu erfüllen, muss entweder k s oder α negativ sein. Da aber Halbleiter mit negativem α nur selten zur Verfügung stehen, müssen Halbleiter mit negativem k s verwendet werden, und das sind die N-Typen. s g Bild 10: Temperaturgang eines selbstkompensierenden Halbleiter-DMS Um den DMS an den Temperaturkoeffizienten des Messobjekts anzupassen, stehen zwei verschiedene Typen zur Verfügung: Für ferritischen Stahl und für austenitischen. Die Charakteristik eines Streifens ist in Bild 10 wiedergegeben. Obwohl die Streifen selbst-temperaturkompensiert sind, weicht ihr Temperaturgang nach der positiven Seite von der Geraden ±1, / C ab. Diese Gerade repräsentiert innerhalb des Temperaturbereichs von 20 C bis 60 C den Temperaturgang selbstkompensierender metallischer DMS Selbst-temperaturkompensierte Zweielement-Halbleiter-DMS In diesen Streifen sind in einer Halbbrückenschaltung jeweils ein Element des N- Typs und des P-Typs kombiniert, die auf den Temperaturkoeffizienten des Messobjekts abgestimmt sind. Durch die Kombination wird die durch Temperaturänderungen verursachte Nullpunktverschiebung kompensiert und als Signal die Summe von beiden Sensorelementen ausgegeben, da die Richtungen der beiden piezoresistiven Effekte gegenläufig sind. Der Temperaturgang ist in Bild 11 wiedergegeben. 10

11 Bild 11: Temperaturgang eines selbst-temperaturkompensierten Zweielement-Halbleiter-DMS Halbleiterstreifen mit hohem Widerstand und hohem Ausgangssignal Diese aus Material mit hohem Widerstand gefertigten Streifen vertragen eine hohe Speisespannung und eignen sich für Anwendungsfälle, bei denen ein hohes Ausgangssignal gefordert wird. Die Streifen mit 10 kω erlauben z.b. einen maximalen Strom von 10 ma. Mit einer Speisespannung von 100 V wird bei einer Dehnung von 10 µm/m ein Ausgangssignal von 50 mv möglich Halbleiterstreifen mit höchster Linearität Halbleitermaterial mit geringer Empfindlichkeit hat Eigenschaften, die Metallen ähnlich sind. Diese Halbleiter besitzen einen k-faktor von ca. 70, ein vergleichsweise kleiner Wert im Halbleiterbereich. Der Streifen erlaubt jedoch eine vergleichsweise gute Linearität zwischen Dehnung und relativer Widerstandsänderung R/R. 3.2 Auswahl von Halbleiter-DMS Für die Auswahl von Halbleiterstreifen sind die folgenden Punkte sorgfältig zu beachten: Ziel der Messung, Werkstoff und Gestalt des Messobjekts, Umweltbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit und die Art des zu verwendenden Messgeräts. Im Hinblick auf die Handhabbarkeit ist wesentlich, ob das Messelement frei oder auf einem Träger befestigt ist. Der Streifen ohne Träger benötigt eine Isolierschicht beim Installieren, die vom Kleber gebildet wird und vom Anwender einschlägige Erfahrung erfordert. Gleichzeitig eröffnet der freie Streifen Möglichkeiten der Installation unter engen Platzverhältnissen. Im Gegensatz dazu ist das auf einem Träger befindliche Messelement einfacher zu installieren, obwohl die größeren Abmessungen nachteilig sind. Tabelle 1 beschreibt die Auswahl von Halbleiter-DMS und die Möglichkeiten der Gestaltung von Brückenschaltungen. 4. Handhabung der Halbleiterstreifen 4.1 Kleben von Halbleiterstreifen Der Klebevorgang ist bei Halbleiterstreifen im Grunde der gleiche wie bei Draht- und Folien-DMS. 11

12 In der Praxis sollten die Anwender den in der Gebrauchsanweisung (Instruction Manual) gegebenen Hinweisen folgen. Besondere Aufmerksamkeit ist dabei den folgenden Punkten zu widmen: a) Das Messelement ist spröde und sehr empfindlich gegen mechanische Einflüsse. Auch die Anschlussleitungen sind dünn und brechen leicht. Man sollte mit spitzen Pinzetten arbeiten b) Die Eigenschaften der Streifen werden stark durch die Art des Klebers und den Aushärtevorgang beeinflusst. Man sollte sich strikt an die Gebrauchshinweise halten. c) Beim Ankleben sollte der Anpressdruck geringer sein als bei herkömmlichen Dehnungsmessstreifen. Man sollte beachten, dass der Anpressdruck gleichmäßig über den gesamten Streifen verteilt ist. d) Bei Streifen ohne Träger muss beim Ankleben eine Isolierschicht entstehen. Wenn Staub in diese Isolierschicht eindringt, kann die Isolation vermindert werden. Man sollte diesen Einfluss vermeiden. Die für Halbleiter-DMS geeigneten Klebstoffe sind in Tabelle 1 angegeben. Für allgemeine Spannungsanalysen wird wegen des geringen Anpressdrucks ein bei Raumtemperatur aushärtender Klebstoff empfohlen. Für Langzeitmessungen oder Messungen bei hohen Temperaturen wird die Anwendung eines heißhärtenden Klebstoffs zu besseren Ergebnissen führen. Ein heißhärtender Kleber vermindert auch das Kriechen und eignet sich deshalb besonders für Aufnehmer. Im folgenden ist als Beispiel der Vorgang des Anklebens eines Halbleiter-DMS mit dem Polyester Klebstoff PC-12 beschrieben: (1) Von der Messfläche ist Staub, Farbe usw. zu entfernen. Dann erfolgt leichtes Aufrauen mit Sandpapier der Körnung 320. (2) Sorgfältiges Reinigen der Oberfläche mit Aceton oder Trichloräthan. (3) Vermischen der Komponente A des PC-12 mit ca. 2 % (Gewichtsprozent) der Komponente B (Härter). (4) Auftragen einer dünnen Schicht des gemischten Klebers auf die Messfläche in einem größeren Areal als der aufzuklebende Streifen. (5) Auflegen des DMS auf die Kleberschicht, dabei Fixieren des Trägers oder der Anschlussleitung mit einem Klebeband, um den Streifen am Verrutschen zu hindern. (6) Abdecken des Dehnungsmessstreifens mit einem Stück Polyäthylen- oder Zellophanfolie und Aufbringen des Anpressdrucks über ein Polster aus Silikongummi. Der Druck sollte bei Streifen mit Träger zwischen 0,3 und 0,5 kgf/cm² liegen und bei Streifen ohne Träger zwischen 0,2 und 0,4 kgf/cm². (7) Aushärtung bei unter Anpressdruck stehenden Installation für eine Stunde bei 80 C. Anschließend Abkühlen auf Raumtemperatur und dann Entfernen des Drucks. 12

13 (8) Wenn aus Gründen der beteiligten Werkstoffe oder der Gestaltung eine Erwärmung für das Aushärten nicht möglich ist, dann muss die Installation unter Druck für 24 Stunden bei Raumtemperatur aushärten. (9) Bei Streifen ohne Träger muss eine dünne Schutzschicht aus Epoxyharz o.ä. auf die Oberfläche des Streifens aufgetragen werden. (10) Prüfung des Widerstands des Streifens und des Isolationswiderstands der Installation mit einem Testgerät wie z.b. dem GT-7G Tester. Der Isolationswiderstand sollte über 100 MΩ liegen. 4.2 Verschaltung des Halbleiter-DMS Generell wird als Messschaltung für Halbleiter-DMS ein Potentiometer oder eine Wheatstonesche Brückenschaltung benutzt. Die Verschaltung mit einem Potentiometer ist einfach und wird oft beim Messen von Stoßwellen o.ä. in Verbindung mit einem Synchronoskop angewendet. Bei Verwendung eines Potentiometers ist die Temperaturkompensation mit einer Halbbrückenschaltung nicht möglich. Damit ist bei großen Temperaturänderungen das Potentiometer nicht geeignet. Eine Wheatstonesche Brückenschaltung kann unterschiedlich konfiguriert sein wie die Beispiele unter Tabelle 1 zeigen. Empfohlen wird bei der aus zwei oder vier Streifen bestehenden Brückenschaltung die in benachbarten Brückenzweigen liegenden Streifen mit Dehnungen unterschiedlichen Vorzeichens zu belasten (wie z. B. ein Streifen an der Ober- und einer an der Unterseite eines Biegebalkens). Die Nichtlinearität der des Zusammenhangs zwischen Dehnung und der relativen Widerstandsänderung wird dabei kompensiert. Bild 12: Kompensation des Temperatureinflusses auf die Empfindlichkeit durch einen Thermistor Bild 12 zeigt ein Schaltungsbeipiel, bei dem ein Thermistor den Temperatureinfluss auf die Empfindlichkeit kompensiert. Das Zusammenschalten eines Halbleiterstreifens mit einem DMS-Messverstärker bereitet im allgemeinen keine Schwierigkeiten, obwohl in einigen Fällen der Nullabgleich problematisch sein kann. Der Grund dafür liegt in den großen Widerstandstoleranzen von Halbleiterstreifen. Tabelle 2 gibt Nullabgleichbereiche einiger Messverstärker wieder. Die Viertelbrückenschaltung zeigt eine größere Wahrscheinlichkeit für Probleme beim Nullabgleich. 13

14 Ziel der Messung Spannungsanalyse bei geringer Temperaturänderung Spannungsanalyse bei großer Temperaturänderung Spannungsanalyse bei beengten Platzverhältnissen Messen von Stoßbelastungen Empfohlener Streifen Geeigneter Kleber Brückenschaltung Standard Streifen des P-Typs (KSP) CC-33A, PC-12 Halbbrücke (aktiver DMS und Dummy) Selbsttemperaturkompensierter Streifen des N-Typs (KSN) Zweielement-temperaturkompensierter Streifen (KSP-F2) Skizze Nr. 2 CC-33A, PC-12 Einzelstreifen 1 CC-33A, PC-12 Viertelbrücke 3 Standard Streifen des P-Typs (KSP) CC-33A, PC-12 Halbbrücke (aktiver DMS und Dummy) Selbsttemperaturkompensierter Streifen des N-Typs (KSN) Zweielement-temperaturkompensierter Streifen (KSP-F2) KSP oder KSN ohne Träger (E-5) Streifen mit hohem Widerstand (hohes Ausgangssignal) (KSPH) CC-33A, PC-12 Halbbrücke (aktiver DMS und Dummy) 2 2 CC-33A, PC-12 Viertelbrücke 3 CC-33A, PC-12 CC-33A, PC-12 Halbbrücke (aktiver DMS und Dummy) 2 Viertelbrücke 1 Halbbrücke 2 Aufnehmer allgemein Standard Streifen des P-Typs (KSP) EP-34, PC-12 Halbbrücke 4 Vollbrücke 5 Selbsttemperaturkompensierter Streifen des N-Typs (KSN) EP-34, PC-12 Halbbrücke 4 Vollbrücke 5 P-Streifen höchster Linearität (KSPL) EP-34, PC-12 Halbbrücke 4 Vollbrücke 5 Aufnehmer mit engem Insrtallationsraum KSP oder KSN ohne Träger (E-5) EP-34, EP-17 Halbbrücke 4 Vollbrücke 5 Aufnehmer mit hohem Ausgangssignal Streifen mit hohem Ausgangssignal (hoher Widerstand) (KSPL) EP-34, PC-12 Halbbrücke 4 Vollbrücke 5 Tabelle 1: Auswahl von Halbleiterstreifen und Brückenschaltungen 14

15 Bild 13 gibt eine Hilfsmaßnahme zum Herstellen eines Abgleichs durch Parallelschaltung eines Widerstands zur Brückenschaltung. Gerät Typ Abgleichbereich (Widerstandsabweichung des Halbleiter-DMS) Statischer Verstärker SM-100 (in Kombination mit SS-R) Ablesbar bis ± Digitaler Datenlogger UCAM-Serie 1-Bereich ±2% 10-Bereich ±20 % 100-Bereich ±90 % Dynamischer Messverstärker DPM-Serie (in Kombination mit DB) ±1 % Tabelle 2: Nullabgleichbereiche von Messverstärkern Hierbei ist anzumerken, dass die Dehnungsanzeige als Ergebnis der Multiplikation der aktuellen Dehnung mit einem relativ großen Faktor erfolgt. Mit anderen Worten ist es das Ergebnis einer Multiplikation der aktuellen Dehnung mit dem Zahlenwert (Quotient), der sich aus der Division des k-faktors des Halbleiterstreifens durch den k-faktor des Messverstärkers (normalerweise 2) ergibt. Hierzu ein Beispiel: Angenommen, ein Halbleiterstreifen mit dem k-faktor 120 wird mit einem Messverstärker betrieben, dessen k-faktor auf 2 gestellt ist. In diesem Fall wir die zu messende Dehnung wiedergegeben durch die Gleichung ε = 2,0 120 ε wobei ε1die vom Gerät angezeigte Dehnung ist. 1 Bild 13: Abgleich durch parallelgeschalteten Shuntwiderstand (am DB-120) 15

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