Sensorik & Aktorik Wahlpflichtfach Studienrichtung Antriebe & Automation

Transkript

1 Sensorik & Aktorik Wahlpflichtfach Studienrichtung Antriebe & Automation - Dehnungsmessstreifen - Prof. Dr. Ulrich Hahn SS 2010

2 Dehnungsmessstreifen elektrischer Widerstand eines Drahtes l: Länge des Drahtes A: Querschnittsfläche des Drahtes ρ: spezifischer Widerstand des Werkstoffes, κ := 1/ρ spezifische Leitfähigkeit R = ρ l A κ = e n µ e: Elementarladung n: Elektronendichte µ: Beweglichkeit der Elektronen Deformation des Drahtes Änderung des elektrischen Widerstandes Zugkraft Längenvergrößerung & Querschnittsverkleinerung Druckkraft Längenverkleinerung & Querschnittsvergrößerung Dehnungsmessstreifen 2

3 Dehnungsmessstreifen Randbedingungen: V Draht = const. ρ = const. R R = l 2 l "k"-faktor: Maß für die Empfindlichkeit reale k-faktoren: Konstantan (60% Cu, 40% Ni): 2,05 NiCr (80% Ni, 20% Cr): 2,20 Chromel (65% Ni, 20% Fe, 15% Cr): 2,50 Iso-Elastic (52% Fe, 36% Ni, 8,5% C, 3,5%Mn): 3,60 PtIr (90% Pt, 10% Ir): 6,60 p-dotiertes Silizium: n-dotiertes Silizium: Dehnungsmessstreifen 3

4 Dehnungsmessstreifen häufig: Volumen vergrößert sich Querschnittsänderung beschreiben durch Querkontraktionszahl D l υ := D l ρ = const. R R = (1 + l 2 υ) l Grenzfälle: ν = 0, keine Querkontraktion ν = 1/2, V = const. reale k-faktoren: ρ const. R l = ( βρ υ) R l ρ l β ρ := ρ l Dehnungsmessstreifen 4

5 Querkontraktionszahlen Material Kork Beryllium 0,032 Bor 0,21 Schaumstoff Siliciumcarbid 0,17 Beton 0,20 Sand Eisen Glas Si3N4 0,25 0,00 (etwa) 0,10 0,40 0,20 0,45 0,21 0,259 0,18 0,3 Material Stahl Lehm Kupfer Aluminium 0,34 Titan 0,34 Magnesium 0,35 Neusilber 0,37 Messing 0,37 Plexiglas Blei 0,44 Gummi 0,50 Querkontraktionszahlν Querkontraktionszahlν 0,27 0,30 0,30 0,45 0,34 0,35 0,40 0,43 Dehnungsmessstreifen 5

6 Metalldraht-DMS DMS-Ausführungsformen Drähte ( µm) auf Keramikträger hohe Temperaturen Metallfolien-DMS Messgitter wird aus metallkaschierter Kunststofffolie herausgeätzt komplexe Gittergeometrien möglich Temperaturen < 150 C Dehnungsmessstreifen 6

7 Metallfolien-DMS DMS-Ausführungsformen Dehnungsmessstreifen 7

8 DMS-Ausführungsformen Dehnungsmessstreifen 8

9 DMS-Ausführungsformen Metalldünnschicht-DMS Widerstandsstruktur befindet sich als dünne Schicht auf einem Messkörper Fertigungsschritte: Isolationsschicht (SiO 2 ) Hilfsleiter & Zuführungen Messgitter Fertigungsverfahren: Aufdampfen (Masken) Sputtern: Ionenbeschuss löst aufzubringendes Material CVD: nach chemischer Reaktion Abscheidung aus Dampfphase Dehnungsmessstreifen 9

10 Halbleiter-DMS DMS-Ausführungsformen longitudinaler piezo-resistiver Effekt: Stromfluss // Deformationsrichtung Veränderung der Bandlücke Zahl der Ladungsträger im VB bzw. LB Anisotropie (Kristallorientierung) sehr hohe k-faktoren hohe Empfindlichkeit starke Temperaturabhängigkeit spröde nur geringe Dehnung (< 0,1%) zulässig Dehnungsmessstreifen 10

11 DMS-Ausführungsformen Dehnungsmessstreifen 11

12 Nichtlinearität des k-faktors Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen Querempfindlichkeit Einflussgrößen k ± 0,5% ± 0,5% k auch eine Deformation senkrecht zum Messgitter bewirkt eine Widerstandsänderung des DMS. kritisch: Umkehrschleifen zwischen den Drähten Abhilfe: breite Umkehrschleifen k 7 Dauerschwingverhalten ± 10 Lastwechseln k Gefügeänderung im Widerstandsmaterial Nullpunktdrift < 0,3% Dehnungsmessstreifen 12 l l Dauerschwingfestigkeit, wenn l/l < 0,1%

13 Querempfindlichkeit Dehnungsmessstreifen 13

14 Kriechen Einflussgrößen (quasi) statische Belastung: Messgitter nimmt Deformation zurück, obwohl Messobjekt deformiert bleibt Befestigung DMS auf Messobjekt (Kleben) Schichtaufbau des DMS Feuchtigkeit und Isolationswiderstand im Messgitter Grenzfrequenzen Metall-DMS > 1 MHz dynamische Messung: Wellenlänge des Körperschalls << Länge DMS Temperatureinflüsse Änderung des spez. Widerstandes thermische Ausdehnung Messobjekt relativ zu DMS Dehnungsmessstreifen 14

15 realer Temperatureinfluss, dargestellt als temperaturbedingte scheinbare Dehnung ε ϑ Einflussgrößen Temperaturabhängigkeit des k-faktors Dehnungsmessstreifen 15

16 Einflussgrößen Dehnungsmessstreifen 16

17 Kleber zur Befestigung von DMS gute Übertragung der Dehnung des Messobjektes auf den DMS dünne Kleberschicht dünner Träger kalt härtend (2 Komponenten) heiß härtend (2 Komponenten) thermische Ausdehnung beim Härten keramische Kitte (Hochtemperatur-DMS) Punktschweißen Dehnungsmessstreifen 17

18 Verschaltung von DMS R R = k l l => R = 120 Ω => R = 0,24 Ω Messung der Widerstandsänderung mit Brückenschaltungen Abgleichverfahren Regelwiderstand in der Brücke so einstellen, dass Brückenspannung null wird kein Einfluss der Speisespannung Ausschlagverfahren Widerstandsänderungen der DMS bewirken Brückenspannung hochohmige Messung Dehnungsmessstreifen 18

19 Verschaltung von DMS DMS-Messbrücke: 4 Widerstände gleich (keine Dehnung) Unterscheiden: ¼ Brückenschaltung: 1 Widerstand ist ein DMS ½ Brückenschaltung: 2 Widerstände sind DMS Vollbrückenschaltung: alle Widerstand sind DMS Varianten: konstante Speisespannung konstanter Speisestrom kein Einfluss der Zuleitungen Betrieb mit Wechselspannung (Trägerfrequenz) kein Einfluss von Thermospannungen / Gleich- und Wechselsignalen anderer Frequenz Dehnungsmessstreifen 19

20 Trägerfrequenzverfahren Dehnungsmessstreifen 20

21 Korrekturschaltungen Dehnungsmessstreifen 21

22 Fehlerquellen und Störeinflüsse Dehnungsmessstreifen 22

23 Einsatzgebiete von DMS Bestimmen von Kräften und Drehmomenten mit Hilfe von Verformungskörpern Dehnungsmessstreifen 23

24 Biegung eines Balkens Einsatzgebiete von DMS Dehnungsmessstreifen 24

25 Einsatzgebiete von DMS Beschleunigungsmessung, Vibrationsmessung mechanischer Aufbau DMS-Vollbrücke Dehnungsmessstreifen 25

26 Einsatzgebiete von DMS Drehmomentbestimmung an Wellen Dehnungsmessstreifen 26

27 Einsatzgebiete von DMS Kraft- und Drehmomentbestimmung am Greifer eines Roboterarms Dehnungsmessstreifen 27