5. Versuchsvorbereitung

5. Versuchsvorbereitung 5.1. Welche charakteristischen Merkmale besitzen Folien-DMS im Vergleich zu anderen DMS? Folien-DMS bestehen aus sehr dünn gewalzten Metallfolien (häufig Konstantan oder eine Ni-Cr-Legierung iegsamkeit der Folien-DMS bedeutet eine geringere Wahrscheinlichkeit der Zerstörung der DMS durch mechanische Einflüsse Nach Aufbringung auf einen Träger werden die entsprechenden Leiterstrukturen herausgeätzt. Vorteil der effektiven Massenfertigung Folien-DMS zeichnen eine leichte Handhabbarkeit und eine vergleichsweise hohe Genauigkeit aus Ein weiterer Vorteil sind die günstigeren Kosten in der Herstellung im Vergleich zu Halbleiter-DMS 5.. Wie müssen Dehnungsmessstreifen für Hochtemperaturmessungen konstruiert sein? die eingesetzten DMS müssen hitzebeständig sein, um eine Verformung und damit Verfälschung von ergebnissen durch Temperatureinwirkung zu verhindern des Weiteren sollten die verwendeten DMS relativ temperaturunabhängig sein, um aufwändige Rechnungen und Verfälschung der Ergebnisse zu vermeiden. eingesetzte Materialien für die DMS sind u.a. Konstantan, Ni-Cr-Legierungen oder Halbleitermaterialien im Allgemeinen kommen bei Dehnungsmessungen an objekten mit hoher Temperatur Wegmessverfahren zum Einsatz, die die Änderung der Entfernung von zwei wohldefinierten Punkten erfasst bzw. werden kapazitive Dehnungssensoren eingesetzt. 5.3. Was wird unter Mehrfach-DMS verstanden? Mehfach-DMS entstehen durch eine bestimmte Anordnung mehrerer DMS auf einem auteil Dabei kann die Anordnung parallel zueinander erfolgen, um für eine ung Mittelwerte zu erhalten, die ein genaueres Ergebnis ermöglichen Mehrfach-DMS ermöglichen beispielsweise eine sehr genaue Einhaltung zueinander versetzter Anordnung der eanspruchungsrichtungen (beispielsweise 90 oder 45 bei der ung von Torsionen sowie andere wohldefinierte Winkel) Diese Anordnungen werden genutzt um bestimmte Störgrößen während der ung zu kompensieren bzw. um mehrachsige mechanische Spannungsänderungen zu messen Seite: 1

5.4. Leiten Sie die Gleichung (14) (Empfindlichkeit der Vollbrücke für gleiche rückenwiderstände aus dem totalen Differential Gl. (17) her! Herzuleitende Gleichung: R R Ausgangsgleichung (17): R + R + R + R 1 3 4 R1 R R3 R4 R1 R4 Mit (8): R + R R + R 1 3 4 ergeben sich folgende Ableitungen: R R R + R 1 1 ; R R R + R 1 1 R R R + R 4 3 3 4 ; R R R + R 3 4 3 4 edingungen: 1.) R1 R R3 R4 R Vollbrücke.) R R1 R R3 R4 gleiche rückenwiderstände Mit edingung Vollbrücke ergeben sich die partiellen Ableitungen: R 1 R1 4R 4 R 1 R R R R 4 R 1 3 4 Mit edingungen gleiche rückenwiderstände und Ausgangsgleichung (17): 4R 4R 4R 4R 4 R R 4 R R R R + R R Daraus ergibt sich die herzuleitende Gleichung: R R Seite:

5.5. Ermittel Sie rechnerisch die zu erwartende rückenausgangsspannung für die Halbbrücken DMS1 und DMS, DMS7 und DMS8, DMS5 und DMS6 in Abhängigkeit von einer elastung F(m) am alkenende! Geg.: E 00GPa k,06 10V Aus ild 1: DMS1 und DMS DMS7 und DMS8 DMS5 und DMS6 L in mm 500 50 500 b in mm 14,1 14,1 5 h in mm 5 5 14,1 ei Einsetzen zweier gegensätzlich wirkender DMS in die rücke gilt: 1 R R relative Widerstandsänderung: Dehnung: R l k R l l σ ε l E L F Spannung: σ 1 6 b h 1 R 1 1 1 k 6 L k l σ F(m) R l E E b h k 3 L F(m) E b h mit F(m) g m Gleichung: DMS1 und DMS DMS7 und DMS8 DMS5 und DMS6 4,98 M,149 M 1,54 M kg kg kg sp.: n1 49,8 µ V 14,9 µ V 15,4 µ V n 859,6 µ V 49,8 µ V 304,8 µ V n3 1,89 644,7 µ V 457,3 µ V n4 1,719 859,6 µ V 609,7 µ V n5,149 1,075 76,1 µ V M n 0,1kg Seite: 3

5.6. Erklären Sie, wie Fehlermessungen zustande kommen, wenn die Wellenlänge einer wellenförmigen Dehnungsschwingung bzw. Störwelle in der Größenordnung der gitterlänge liegt! Sobald die Wellenlänge im ereich der Länge des Dehnungsmessstreifens liegt, stellen sich fehler ein. ei einer wellenförmigen Dehnungsschwingung in der Größenordnung der gitterlänge wird das Objekt gleichzeitig gedehnt und gestaucht, dies bedeutet, dass auf eine volle Periode betrachtet keine Längenänderung entsteht. Damit lässt sich auch keine Widerstandsänderung des streifens messen. Folglich entsteht in der Nähe der Wellenlänge ein großer fehler. 5.7. Warum stellt der nicht applizierte Dehnungsmesstreifen noch keinen Sensor dar? Erklären Sie an eispielen wie das objekt (Verformungskörper) die ergebnisse wesentlich mitbestimmt Erst mit Aufbringen auf ein zu untersuchendes objekt, kann ein DMS Verformungen messen. Im nichtapplizierten Zustand stellt ein DMS nur einen Widerstand dar, der gering temperaturabhängig ist. Die eigentliche Wirkung von DMS tritt jedoch erst nach Zusammenführen mit dem objekt auf. 5.8. Wie wirkt sich die Temperatur auf die Kenngrößen des applizierten Dehnungsmessstreifens aus? Eingesetzte DMS können nicht unterscheiden, ob eine Längenänderung aufgrund von mechanischer oder thermischer Einwirkung entsteht beide dieser Einwirkungen dehnen bzw. stauchen den DMS und ändern somit seinen Widerstandswert. Somit führt eine nicht kompensierte Temperaturänderung zu Fehlern in den ungen. In welcher Weise führen unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Dehnungsmessstreifen gegenüber dem Grundkörper (objekt) zu fehlern? nter Einwirkung einer Temperaturänderung verändern DMS aufgrund ihres eigenen Ausdehnungskoeffizienten ihre Länge. Diese Längenänderung ist jedoch nicht auf die Längenänderung des objektes zurückzuführen, sondern auf die eigene Temperaturabhängigkeit. Somit wird ein Fehler im ergebnis entstehen. 5.9. Nach welchem Prinzip funktionieren selbstkompensierende DMS? Der Wärmeausdehnungskoeffizient selbstkompensierender Dehnungsmessstreifen ist dem des Verformungskörpers angepasst. Eine Temperaturerhöhung, welche eine Wärmedehnung des objektes bewirkt wird durch eine gleich große Widerstandsänderung des DMS aufgrund der Temperaturänderung kompensiert. Dieses Prinzip funktioniert nur in begrenzten Temperaturbereichen. Seite: 4

5.10. erechnen Sie die Längenänderung l der DMS1 bzw. DMS beim Auflegen eines Massestückes von m100g auf den alken (aktive gitterlänge der DMS: l6,35 mm)! l σ ε l E L F mit σ 1 6 b h 6 L F 6 L m g 6 0,5m 0,1kg 9,81m l l ε l b h E b h E 0,0141m 0,005m 00GPa s l 0,65µ m 3 l 6,35 10 m Seite: 5

6. Versuchsauswertung 6.1. ung verschiedener rückenschaltungen mit DMS a) Viertelbrücke mit DMS1 [] -8 1 33 55 77 98 [] -13 9 30 53 76 [] -10,5 10,5 31,5 54,0 76,5 98,0 ( ) 98 10,5 α 17,0 b) Halbbrücke mit DMS1 und DMS [] -7 35 80 14 169 13 [] -8 35 80 14 169 [] -7,5 35,0 80,0 14,0 169,0 13,0 ( ) 13 9 α 444,0 c) Vollbrücke mit DMS1 bis DMS4 [] 8 361 441 519 595 671 [] 75 353 48 507 588 [] 78,5 357,0 434,5 513,0 591,5 671,0 665 80 α 770,0 d) Halbbrücke mit DMS7 und DMS8 [] 0 44 66 89 111 [] 0 1 44 66 89 [] 0 1,5 44,0 66,0 89,0 111 111 0 α,0 Seite: 6

e) Halbbrücke mit DMS5 und DMS6 (alken hochkant, 90 gedreht) [] - 1 7 4 58 73 [] -3 11 7 4 58 [] -,5 11,5 7,0 4,0 58,0 73,0 ( ) 73,5 α 151,0 3... Vollbrücke mit DMS1 bis DMS4 (alken 180 ge dreht) [] -36-115 -194-71 -349-45 [] -7-104 -181-60 -340 [] -31,5-109,5-187,5-65,5-344,5-45,0 ( ) 430 30 α 800,0 Im Vergleich mit der gemessenen Vollbrücke aus Versuchsaufgabe 3..1. zeigt sich hier eine stärkere Dehnung. Dies ist aus dem steileren Anstieg zu schließen. Die Alterung des Werkstoffes ist eine mögliche rsache für diesen Effekt. Die Hauptbeanspruchung des iegestabes erfolgt immer in eine Richtung, abgesehen von Versuchsaufgabe 3... 3..3. Gegenüberstellung der Ergebnisse mit der Versuchsvorbereitung Aus ung Ohne Verstärkung Aus Vorbereitung DMS1 und DMS DMS7 und DMS8 DMS5 und DMS6 444,0,0 151,0 kg kg kg 4,440,0 1,510 kg kg kg 4,98,149 1,54 kg kg kg Relativer Fehler 3,30% 3,30% 0,9% Die in der ung ermittelten Werte unterscheiden sich um den Faktor 100 von den in der Vorbereitung errechneten Werten. rsache dafür ist der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers. Sonstige Abweichungen sind klein und auf Alterungsprozesse, nicht abgeschirmte Kabel, Steckerwiderstände und Kontaktspannungen zurückzuführen. Seite: 7

3..4. Einfluss der Temperaturänderung am eispiel eines Kohleschichtwiderstandes Nach Anlegen von Handwärme, d.h. ein T von ca. 10 C, änderte sich die spannung 0,7kg 1,4kg von 0V auf ca. 75, wobei der Wert zwischen 150 ( ) und 300 schwankte. Der Durchschnittswert von 75 entspräche dabei einer elastung des iegestabes mit ca. 1,3kg. 3..5. Fehlerquellen im Vergleich zu industriellen DMS-Applikationen Im Allgemeinen kommt es bei industriellen ungen auf hohe Genauigkeit an. Dies erreicht man durch ständige Kontrolle und Erneuerung der Dehnmessstreifen. Somit wird sowohl der Einfluss der Alterung als auch die Verfälschung der ergebnisse durch Kriechen geringer. 3..6. Oszilloskopische estimmung der Eigenschwingung des alkens Frequenz des iegestabes ohne elastung: Frequenz des iegestabes bei elastung mit zwei Massestücken: N 8 f 9,9Hz t 810ms N 5 f 6,5Hz t 770ms mit N Anzahl der einbezogenen Perioden t Zeit zum Durchlaufen der N Perioden Seite: 8