Sensorik statischer und dynamischer Größen

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1 Sensorik statischer und dynamischer Größen 1 Thema Anwendung der Dehnungsmessstreifen ()-Messtechnik zur Untersuchung mechanischer Beanspruchungen und Analyse der Sensor-Dynamik. 2 Aufgabe Es ist ein Kraftsensor, unter Anwendung von Dehnungsmessstreifen, zu entwickeln. Im ersten Teil sind für eine ausgewählte Beanspruchung (hier Biegung) auf einen geeigneten Biegekörper zu applizieren, und Messungen zur Kennlinienermittlung durchzuführen. Im zweiten Teil wird das Schwingungsverhalten des Kraftsensors untersucht, in dem die Eigenfrequenz und die Abklingzeit τ (Schwingfall) ermittelt wird. Abbildung 1 Verschiedene (links), Messverstärker HBM MX440B (Mitte) und Messsoftware catmaneasy (rechts) 3 Geräte Dehnungsmessstreifen Biegekörper (Berechnung unter Vorgabe verschiedener Daten durchführen) Messverstärker HBM MX410B o. MX440B PC o. Notebook Software catmaneasy (HBM) (GOS Reg. SW / # SW 05.2) Sauter Präzisions- und Handelsgewichtssatz (GOS Reg. 6 / # 005) 4 Hinweise zur Durchführung Dimensionierung eines geeigneten Federkörpers unter Berücksichtigung der vorgegebenen Daten Applizieren der auf dem Federkörper und Schalten einer Messbrücke Untersuchung der Anfangshysterese des Sensors Ermittlung der Kennlinie des Sensors Aussagen zur Linearität, Auflösung und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse Untersuchungen zum Schwingungsverhalten des Sensors Tabelle 1 Weitere Hinweise - Übersicht Seite 2: Hinweise zur Dimensionierung des Federkörpers Seiten 2 bis 4: Hinweise zum Applizieren von Dehnungsmessstreifen Seite 4: Anschlussbelegung, Verbindungskabel - Messbrücke Seite 5: Hinweise zur Schwingungsanalyse Workflow: Anleitung zur Fertigung eines Kraftsensors mit Hinweisen zur Applikation von Workflow: HBM catmaneasy MTS_03_Sensorik_statischer_und_dynamischer_Groessen.docx Seite 1 von 5 Beuth Hochschule / GOS R. Neumann;B. Leuschner;D. Uckert

2 5 Hinweise zur Dimensionierung des Biegekörpers Belastungsfall: Einseitig eingespannter Stab, welcher am freien Ende durch eine Kraft F belastet wird. Tabelle 2 Größen Bezeichnungen M b Biegemoment F Belastungskraft l Länge des eingespannten Stabes l 1 Mitte Kraftangriffspunkt x Mitte Einspannkante h Dicke des Stabes b Breite des Stabes s Durchbiegung des Stabes y Längenzugabe zum Einspannen Abbildung 2 Belastungsfall für einseitig eingespannten Stab Tabelle 3 Formeln zur Dimensionierung des Stabes M b h Biegespannung: σ b = I 2 Flächenträgheitsmoment: 3 b h I b = 12 Biegemoment: M b = F l b Tabelle 4 Wertetabelle (* ca. Angaben, je nach Legierung unterschiedlich) Material: Stahl Aluminium E-Modul in N/mm²: Zugfestigkeit* in N/mm²: Streckgrenze* in N/mm²: Dehnung: σ ε = b E Tabelle 5 Weitere Hinweise zur Dimensionierung des Stabes Grenzwerte für die Dehnung: ε min 1x10-5 ε max Material: Stahl und Aluminium Dicke: 1,5 / 2,0 / 3,0 mm Breite des Stabes: b = 14 mm (Vorgabe) Längenzugabe (pauschal) zum Einspannen: y = 30 mm 6 Hinweise zum Applizieren von Dehnungsmessstreifen Dehnungsmessstreifen () werden benutzt, um Dehnungen an Bauteilen oder Messobjekten infolge von Krafteinwirkungen zu messen. Aus dem Ergebnis der Messung lassen sich Aussagen treffen über die Werkstoffbeanspruchung des Messobjektes, über die Art und den Betrag von Krafteinwirkungen und anderes mehr. Hierzu ist es unbedingt erforderlich, dass die zu messende Dehnung ε des Messobjektes einwandfrei und verlustfrei auf den übertragen wird. Demzufolge hat die Qualität der Applikation einen entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit, und sollte deshalb mit äußerster Sorgfalt vorbereitet und ausgeführt werden. Vorbereitung der Messstelle Ziel der vorzubereitenden Maßnahmen ist es eine poren-, kerb- und oxydfreie, nicht zu rau aber gut benetzbare Oberfläche zu schaffen. Dafür sind erforderlich: 1. Grobreinigung: Entfernen von Rost, Zunder, Farbanstriche, Fette, usw. 2. Einebnen: Rostnarben, Kerben und andere Unebenheiten durch Feilen oder Schleifen entfernen. MTS_03_Sensorik_statischer_und_dynamischer_Groessen.docx Seite 2 von 5 Beuth Hochschule / GOS R. Neumann;B. Leuschner;D. Uckert

3 3. Aufrauen: Mit Hilfe von stets neuem Schmirgelleinen (angepasste Körnung siehe Tabelle 6) in kreisenden Bewegungen die Oberfläche mäßig aufrauen, um somit eine Vergrößerung der Kontaktfläche zu erhalten (siehe Abb. 3) Tabelle 6 Korngrößenrichtwerte zum Aufrauen der Werkstücke Bauteilwerkstoff Schmirgeln mit Körnung Stahl, gehärtet Stahl, weich Aluminium Abbildung 3 Einfluss der Fügeteiloberfläche auf die Kontaktfläche. a) Kontaktlinie bei glatter Oberfläche, b) verlängerte Kontaktlinie durch mäßiges Aufrauen 4. Anreißen: Die genaue Lage der markieren. Werkzeuge, welche das Material einkerben, sollten nicht benutzt werden! Geeignet sind z. B. verrundete Reißnadeln, leere Kugelschreiberminen o.ä.. Folien- besitzen Marken, welche die Mittelachsen der Messgitter kennzeichnen, und erleichtern somit das Ausrichten. 5. Feinreinigen: Mit Hilfe geeigneter Lösungsmittel (Isopropylalkohol oder Reinbenzin) Klebestelle entfetten, (Nur anwenden bei Vorhandensein entsprechender Absaugvorrichtungen!) sonst Klebestelle nur trocken mit dem Reinigungspad abwischen. Vorbereitung der sind nur an den Anschlüssen anzufassen! 1. Fixieren: Der wird mit der Klebeseite nach unten auf eine saubere Unterlage gelegt und mit einem Klebestreifen seitlich befestigt (Abb. 4). 2. Lötstützpunkte verbinden: Der Lötstützpunkt wird mit dem verbunden, damit beide in einem Arbeitsgang appliziert werden können. Dabei ist der Lötstützpunkt so zwischen die Basisfolie des und seine Anschlussbänder zu schieben, dass sich die isolierenden Folien überlappen (Abb. 5). Anschlussbänder so weit kürzen, dass sie auf den Lötstützpunkten enden und beide Teile mit einem Klebestreifen verbinden (Abb. 6). Anschlussbänder Abbildung 4 Fixieren des Klebestreifen 1 Lötstützpunkte Anschlussbänder Freie Ränder Überlappung Basisfolie Bauteil Abbildung 5 Überlappen von Lötstützpunkt und -Folie Klebestreifen 2 Abbildung 6 Verbinden von Lötstützpunkt mit den MTS_03_Sensorik_statischer_und_dynamischer_Groessen.docx Seite 3 von 5 Beuth Hochschule / GOS R. Neumann;B. Leuschner;D. Uckert

4 Klebevorgang mit Hilfe des Klebestreifens an der Markierung ausrichten und anheften, dann den hochklappen. Einen kleinen Tropfen Klebstoff auf das Bauteil geben und sofort mit dem Teflonstreifen gleichmäßig dünn und ohne Druck ausziehen. herunterklappen, Teflonfolie auflegen und ca. 60 Sekunden lang Druck ausüben. Der Druck muss ununterbrochen gleichmäßig über die gesamte Fläche bis zum Aushärten (Tabelle 7) erhalten bleiben (Abb. 7). Danach den Klebestreifen vorsichtig entfernen. Die Endhärte der Klebestelle ist nach ca. 24 h erreicht. Messungen sind nach den in Tabelle 8 genannten Zeiten möglich. Teflonfolie Abbildung 7 andrücken Tabelle 7 Aushärtezeiten Bauteilwerkstoff Härtezeit in s Stahl Aluminium Kunststoffe Tabelle 8 Mindesthärtezeiten Klebetemperaturen Klebetemperatur in C Art der Messung 5 20 Mindesthärtezeit in min dynamisch 9 10 statisch Lötverbindungen Lötstützpunkte verzinnen und gleichzeitig Anschlussbänder der anlöten. Kabelenden verzinnen und ebenfalls anlöten. 7 Anschlussbelegung, Verbindungskabel - Messverstärker Abbildung 8 Anschlussbelegung, Messbrückenschaltung MTS_03_Sensorik_statischer_und_dynamischer_Groessen.docx Seite 4 von 5 Beuth Hochschule / GOS R. Neumann;B. Leuschner;D. Uckert

5 8 Hinweise zur Schwingungsanalyse Gedämpfte Schwingung (idealisiert mit der e-funktion als Einhüllende ) Abbildung 9 Abklingzeit τ, d.h. die Zeit t, in der die Amplitude A 0 auf den e-ten Teil abgeklungen ist (f d = Frequenz) Die Abklingzeit τ einer schwach gedämpften freien Schwingung lässt sich aus der Einhüllenden, der Amplitude und dem daraus abgeleiteten Dämpfungsdekrement bestimmen. Für das Verhältnis der Amplituden zu der Zeit t und zu der Zeit t + nt gilt (n = Anzahl der gleichphasigen Schwingungsamplituden): mit τ / τ τ) A0 e = ( τ + nt τ + nt ) A e ) 0 / τ = e nt τ und τ) nt = τ + nt ) τ ln ergibt sich t) t = n T ln ( ) A t + nt 1 Vorgehensweise: 1. Bestimmung von A 0 (t 0 ) 2. Bestimmung von Amplitudenverhältnissen A 0 (t 0 ) / A (t 0 +nt) für mehrere n 3. Berechnung von τ, Mittelwertbildung 9 Literaturhinweise [1] LEUSCHNER, Bernd; NEUMANN, Reiner: Messgerätekatalog. Berlin: Beuth Hochschule / GOS. Aktualisierungsdatum: [2] HOFFMANN,Karl: Eine Einführung in die Technik des Messens mit Dehnungsmessstreifen,1987 MTS_03_Sensorik_statischer_und_dynamischer_Groessen.docx Seite 5 von 5 Beuth Hochschule / GOS R. Neumann;B. Leuschner;D. Uckert