Interdisziplinäres Praktikum Von der dynamischen Spannungsanalyse zur konstruktiven Optimierungen von orthopädischen Hilfsmitteln

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1 Interdisziplinäres Praktikum Von der dynamischen Spannungsanalyse zur konstruktiven Optimierungen von orthopädischen Hilfsmitteln Praktikumsanleitung Block II: Biegeversuch mit genormter Stahlfeder l 1 F i l 2 DMS 1 l g DMS 2 1. Ziel des gesamten Praktikums Abbildung 1: einseitig eingespannter Biegebalken mit DMS-Applikation Steigerung des Studierenden-Know-Hows durch: die Erkenntnis das Grundlagenwissen die Basis für Spezialanwendungen ist, die Anwendung des erlernten disziplinären Wissens bei einer interdisziplinären Problemstellung, Ingenieurswissen in vivo, die Kenntnisse und Fertigkeit des Aufbau einer kompletten Messkette und den Einsatz der DMS-Messtechnik in eigenen BA-, MA-Arbeiten und Forschungsprojekten. 2. Vorbereitungen Termin 1 Fragen beantworten (schriftlich!). Erstellen Sie ein Messprotokoll nach den üblichen Vorgaben plus folgender Tabelle: m 0-4 ; kg soll, soll, N/m 2 mm/m M soll, Nm ist, mm/m ist, N/m 2... M ist, Nm und bringen es zum diesem Termin mit. Bringen Sie bitte zum Praktikum entsprechende Kleidung mit, sie könnte eventuell schmutzig werden. Termin 2 Fragen beantworten (schriftlich!) Berechnen Sie für diesen Versuch die zu erwartenden Randspannungen ( isoll, N/m 2 ), Dehnungen ( soll, mm/m) und Biegemomente (M soll, Nm) an der Messstelle und dokumentieren diese im Messprotokoll. Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 1

2 Angaben: m 0 = 0,1 kg, m 1 = 0,2 kg, m 2 = 0,5 kg, m 3 = 1,0 kg, m 4 = 2,0 kg; l g = 210 mm, l 1 = 200 mm, l 2 = 100 mm; Federstahl : b = 20 mm, h = 2 mm; Stahlsorte: DC 03, E = N/mm 2, R p 0,2 = N/mm 2 ; g = 9,81241 Bringen Sie bitte zum Praktikum entsprechende Kleidung mit, sie könnte eventuell schmutzig werden. 3. Versuchsdurchführung Im Block II des interdisziplinaren Praktikums wenden Sie Ihre Kenntnisse aus Block I des interdisziplinären Praktikums an und verfestigen und erweitern Ihre Fertigkeiten in der DMS-Applikationen. Bei diesem Versuch installieren Sie zwei DMS, je einen an der Ober- und Unterseite eines Federstahls, verschalten diese in einer Wheatstone schen Messbrücke. Danach stellen Sie Kabelverbindungen zum Messverstärker her und führen Biegeversuche durch. Dabei ermitteln Sie über die DMS die auftretenden Dehnungen und dokumentieren diese in dem vorbereiteten Messprotokoll. Die eigentliche Versuchsdurchführung ist unter: 7. Schritte der DMS-Vorbereitung und -Installation, beschrieben. 4. Ziele dieses Versuches Vertiefung der Fertigkeiten und Kenntnisse der DMS-Applikation, Erlernen des Aufbaus einer einfachen Messkette am Beispiel eines Biegeversuchs mit einseitig eingespanntem Prüfobjekt. 5. Fragen Termin 1 1. Welche Formen des einachsigen Spannungszustandes gibt es? 2. Nennen Sie mind. 3 mehrachsige Spannungszustände. 3. Welcher Spannungszustand tritt an der Messstelle dieses Versuches und bei l g l 1 auf? 4. Welche Störgrößen können bei der Dehnungsmessung an einem einseitig eingespannten Biegestab auftreten? 5. Wie können oben genannte Störgrößen kompensiert werden und warum? 6. Welche Vorteile bietet die 3-Leiterschaltung gegenüber der 2-Leiterschaltung? Termin 2 1. Welche Vorteile bietet eine 3-Leiterschaltung bei der Anwendung von DMS? Antworten Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 2

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4 7. Schritte der DMS-Vorbereitung und -Installation A. Überprüfen Sie, ob Sie alle notwendigen Materialien und Werkzeuge am Arbeitsplatz griffbereit haben. B. Führen Sie eine Grundreinigung der Oberfläche des Prüfobjektes (s. Abbildung 2) durch. Achtung: Die Oberfläche immer vom Zentrum nach außen reinigen. Abbildung 2: Reinigen der gesamten Oberfläche des Prüfobjektes mit chemisch reinem Aceton. C. Markieren Sie den Bereich der DMS-Positionierung auf dem Prüfobjekt mit einem Kugelschreiber. D. Mit Schmirgelleinen (Körnung 120) wird die Oberfläche auf einer Fläche von ca. 50 mm x 40 mm von Lackoder Oxidschichten befreit (in Kreisbewegungen schleifen). Abbildung 3: Entfernung von Lack und Oxidschicht mit Schmirgelleinen (Körnung 120) E. Ist die Oberfläche des Prüfobjektes frei von Lack- oder Oxidschichten, gehen Sie direkt zum Feinschliff (s. Abbildung 4) über. Auch hier ist auf kreisende Bewegungen zu achten. Abbildung 4: Feinschliff (Körnung 320) Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 4

5 F. Führen Sie ein erneutes Reinigen der gesamten Oberfläche des Prüfobjektes mit chemisch reinem Aceton durch. G. Die genaue Position des DMS wird auf der Oberfläche des Prüfobjektes angerissen (Kugelschreiber oder Bleistift H2). Auf der Trägerfolie des Dehnungsmessstreifens sind in der Regel Markierungen für die Mittellinien des Messgitters vorhanden, so dass Sie keine Anzeichnung durchführen. Achtung: Kein Anriss darf die Oberfläche des Prüfobjektes im Bereich des Messgitters verletzen. Besonders wenn heißhärtenden Klebstoffe benutzt werden, können sich im Bereich des Risses kleine Luftblasen bilden. Diese verringern die Haltbarkeit der Verklebung und können zu temperaturbedingten Drifts des DMS führen. Zum Anreißen genügt ein Bleistift H2, oder auch eine Kugelschreibermine. Fingenageltest (s. Abbildung 5): Wenn man etwas spürt, dann ist der Anriss viel zu tief! Abbildung 5: Nagelprobe Abbildung 6: Endzustand der Anrisse H. Erneutes Reinigen der gesamten Oberfläche des Prüfobjektes mit chemisch reinem Aceton. Achtung: Die Oberfläche immer vom Zentrum nach außen reinigen. Es darf kein Fett von der unbearbeiteten Oberfläche auf die geschmirgelte Oberfläche eingetragen werden. I. Vorbereiten des DMS (s. Abbildung 7 Abbildung 10) Abbildung 9: Kürzen der Anschlussbändchen des DMS Abbildung 7: Größe und Positionierung des Kapton Klebebandes (rot) auf der Oberseite des DMS als Schutzschicht für die Verklebung Abbildung 8: Position des Lötstützpunktes unter dem DMS Abbildung 10: 2. Schutzschicht aus Kapton Klebeband (rot) über dem DMS und Lötstützpunkt J. Positionierung des DMS und der Lötstützpunkte auf dem Prüfobjekt (s. Abbildung 11) mit Hilfe des Kapton Klebebands. Dabei ist auf eine exakte Ausrichtung nach den Anrissen zu beachten. Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 5

6 Achtung: Abweichungen von der Idealposition führen nach endgültiger Verklebung zu Messwerteverfälschungen. Deshalb besser jetzt bei Abweichungen eine Neupositionierung des DMS durchführen. Abbildung 11: Positionierung des DMS auf dem Prüfobjekt mit dem Kapton Klebeband (Anrisse beachten!) K. Kleben Sie einen Rahmen mit dem Kapton Klebeband um die genaue Position des DMS (ca. + 2 mm, an jeder Seite des DMS). L. Vorbereiten des M-Bond 200 Kits und Auftragen des Aktivators auf dem Prüfobjekt und DMS. Abbildung 12: M-Bond 200 Kit bestehend aus Cyanacrylat Klebstoff und Aktivator MCA-1 Abbildung 13: Verkürzung der Klebezeit durch Einsatz des Aktivators MCA-1 auf den Prüfobjekt Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 6

7 Abbildung 14: Auftragen des Aktivators auf dem DMS M. (s. Abbildung 15) Abbildung 15: Auftragen des Cyanacrylat Klebstoffs auf dem DMS und dem Prüfobjekt N. Mit Hilfe der vorbereiteten Teflon Folie den DMS auf das Prüfobjekt drücken und ca. 5 s den Druck flächig aufrecht halten bis der Cyanacrylat Klebstoff ausgehärtet ist. Abbildung 16: Andrücken des DMS auf dem Prüfobjekt unter zu Hilfenahme der Teflon Folie Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 7

8 O. (s. Abbildung 17) Abbildung 17: Teflon Folie abziehen P. (s. Abbildung 18) Abbildung 18: Anschlussbändchen des DMS und die Anschlussflächen der Lötstützpunkte werden mit dem Glasfaser Q. (s. Abbildung 19) Reinigungspinsel aufgeraut Abbildung 19: Verzinnung der Anschlussbändchen des DMS und der Anschlussflächen der Lötstützpunkte Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 8

9 R. (s. Abbildung 20) Abbildung 20: verzinnte Anschlussbändchen des DMS und Anschlussflächen der Lötstützpunkte S. (s. Abbildung 21) Abbildung 21: Anschlussdrähte zwischen DMS und Lötstützpunkten werden mit Zugentlastung angelötet T. Elektrische Prüfung (Durchgangswiderstand: 350 ; Isolationswiderstand: > M ) durch die Teilnehmer mit Dokumentation im Messprotokoll und optische Kontrolle des Aufbaus durch den Praktikumsleiter. U. V. Abbildung 22: Verdrahtung der Messgitter (Oberseite) Abbildung 23: Verdrahtung der Messgitter (Unterseite) Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 9

10 W. Kabelsicherung erstellen Abbildung 24: Beispiel für eine Kabelsicherung X. Einspannen des Prüfobjektes, Angaben: s. Abbildung 1 und 2. Vorbereitungen Abbildung 25: Abstandsmessung für den Biegeversuch A. Belastung des Prüfobjektes mit den Prüfgewichten Abbildung 1 und 2. Vorbereitungen. B. Optische Kontrolle des Messaufbaus durch den Praktikumsleiter. C. Konfiguration der Messsoftware, s. MeMesssysteme_BA_gsvmulti.pdf D. Messen der auftretenden U i und i und Dokumentation im Messprotokoll. E. Arbeitsplatz aufräumen und säubern. F. Anschließend errechnen Sie die aufgetretenen i und vervollständigen das Messprotokoll. Abzugeben ist ein kurzer Praktikumsbericht mit Versuchsbeschreibung, Messprotokoll, Spannungsdehnungsdiagramm für Soll- und Ist-Werte und Fehlerdiskussion. Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 10

11 8. Ergänzende Informationen 8.1. Auswahl von DMS s. Kabelitz2010_Auswahl von DMS_TN pdf Leiterschaltung s. Kabelitz2010_3-Leiterschaltung_TT-612.pdf 8.3. Brückenschaltungen mit DMS Die Wheatstone sche Brückenschaltung ist die bevorzugte Schaltung zur Messung von Widerständen. Sie wird zur absoluten Bestimmung eines Widerstandes oder zur Bestimmung von Widerstandsänderungen eingesetzt. Letzteres wird im Zusammenhang mit DMS angewandt. Die Vorteile der Brückenschaltung sind: Viertelbücke Bei einer abgeglichenen Brückenschaltung ist die Ausgangsspannung 0 V. Die Verstärkung kann deshalb sehr hoch gewählt werden, um eine feine Auflösung zu erzielen. Die Symmetrie der Brückenschaltung wird ausgenutzt, um thermische Dehnungen zu kompensieren und um unerwünschte mechanische Dehnungen quer zur Messrichtung elektrisch zu kompensieren. U s : Brückenspeisung U d : Brückenausgang : Dehnung k: k-faktor (ca. 2,0) mit k=2,0 gilt: 2000 μm/m entsprechen 1 mv/v Dies ist die meistgebrauchte Schaltung in der Spannungsanalyse. Der aktive DMS (R1) wird durch drei passive Widerstände (R2, R3, R4) zur Vollbrücke ergänzt.die Nichtlinearität dieser Schaltung ist für kleine Dehnungen im Bereich bis 1000 μm/m vernachlässigbar. Bei sehr hohen Dehnungen bis in den Bereich der plastischen Verformung kann der Fehler durch Nichtlinearität 2% und mehr betragen. Halbbrücke 2x Längsdehnung mit k=2,0 gilt: 1000 μm/m entsprechen 1 mv/v Die aktiven DMS (R1, R2) werden durch zwei passive Widerstände zur Vollbrücke ergänzt. Diese Schaltung wird in der Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren angewendet. Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 11

12 1x Längsdehnung, 1x Querdehnung mit k = 2,0 und einer Querkontraktionszahl v=0,3 gilt: 1539 μm/m entsprechen 1 mv/v Der aktive DMS (R1) wird durch einen quer angeordneten "Poisson" DMS (R2) und zwei passive Widerstände (R3, R4) zur Vollbrücke ergänzt. Diese Schaltung wird in der Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren angewendet. Vollbrücke 4x Längsdehnung mit k=2,0 gilt: 500 μm/m entsprechen 1 mv/v Die Vollbrücke mit 4 aktiven Dehnungsmessstreifen in Längsdehnung ist die bevorzugte Standardschaltung im Sensorbau. Sie bietet die bestmögliche Kompensation von Temperatureinflüssen und mechanischen Störeinflüssen. 2x Längsdehnung, 2x Querdehnung mit k=2,0 und v=0,3 gilt: 769 μm/m entsprechen 1 mv/v Die zwei gleichsinnigen DMS (R1, R3) werden durch zwei quer angeordneten DMS (R2, R4) zur Vollbrücke ergänzt. Diese Schaltung wird bei Zug-, Druckstäben bevorzugt eingesetzt. Für Präzisionssensoren wird oft noch eine Linearisierung mit zusätzlichen Halbleiter-DMS vorgesehen. 2x Längsdehnung, 2x Querdehnung mit k=2,0 und v=0,3 gilt: 769 μm/m entsprechen 1 mv/v Die zwei gegensinnigen DMS (1,2) werden durch zwei quer angeordneten DMS (R3, R4) zur Vollbrücke ergänzt. Diese Schaltung wird in der Spannungsanalyse und bei Low Cost Sensoren angewendet. Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 12

13 9. Quellen 1. Hoffman, K. Eine Einführung in die Technik des Messens mit Dehnungsmessstreifen. Darmstadt: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Kabelitz, Suta. Technikerprojekt Dehnungsmessstreifen. (Zugriff am ). Interdisziplinäres Praktikum FH Münster FB 11 Dipl.-Ing. Thomas Stief 13