Carl-Engler-Schule Karlsruhe Dehnungsmessstreifen (DMS) 1 (6) Dehnungsmessstreifen (DMS) Dehnungsmessstreifen sind auf einer Trägerfolie aufgebrachte dünne Leiterbahnen, die bei mechanischen Spannungen ihren Widerstand verändern. Sie werden fest mit einer Werkstücks-Oberfläche verklebt. Für die sehr kleinen Widerstandsänderungen sind spezielle Schaltungen und Messgeräte erforderlich. Neben der Größe und Richtung mechanischer Spannungen lassen sich auch damit verbundene Größen wie Weg, Kraft, Druck oder Beschleunigung messen. 1. Physikalischer Effekt Bei mechanischer Belastung (Spannung) eines Drahtes (Metall) vergrößert sich dessen elektrischer Widerstand. Ursachen sind vor allem die Vergrößerung der Länge und die Verringerung der Querschnittsfläche, bei starker Dehnung auch Umkristallisierung. William Thomson (Lord Kelvin) hat 1856 diesen Effekt nachgewiesen. Er verwendete dazu die von Charles Wheatstone 1843 entwickelte Wheatstonesche Brückenschaltung. 2. DMS Aufbau Dehnungsmessstreifen bestehen aus einer mit Metall beschichteten Trägerfolie, aus der die Form des Messgitters herausgeäzt ist. Dieser Streifen wird mit speziellen Klebern auf das Werkstück aufgebracht (appliziert), mit Anschlussdrähten versehen und meist mit einem Schutzlack abgedeckt. 3. Kenndaten Messgitter-Materialien: Konstantan 57Cu,43Ni k=2.05 Karma 20Cr,73Ni, Fe-Al k=2.1 Nichrome V 20Cr, 80Ni k=2.2 Platin Wolfram 92Pt, 8W k=4.0 Typischer Widerstand Kommerziell werden DMS mit den Widerstandswerten 120Ω, 350Ω, 600Ω bzw. 1000Ω angeboten. Dehnung Die Dehnung gibt die relative Längenänderung an. Relative Widerstandsänderung Bei konstantem Drahtvolumen (Querkontraktion, Poissonzahl µ=0.5) vergrössert sich der Widerstand bei Dehnung durch die Verlängerung genau so stark wie durch die Abnahme der Querschnittsfläche. k-wert Der k-wert gibt an, um welchen Faktor die relative Widerstandsänderung über der relativen Längenänderung liegt. Bei hohem k-wert ergibt sich bei gleicher Dehnung eine große Widerstandsänderung (und damit ein hohes Messsignal). Der k-wert wird auch durch den Gefügeaufbau und die Vorgänge im Gefüge während der Dehnung bestimmt. Der k-wert liegt bei den meist verwendeten Metallen bei k=2. Dehnbarkeit Der elastische Bereich erlaubt eine maximale Dehnbarkeit von ca. 3%, was aber in der Praxis meist nicht ausgenutzt wird.
Carl-Engler-Schule Karlsruhe Dehnungsmessstreifen (DMS) 2 (6) Schwingungen Dehnungen können statisch (keine oder nur langsame zeitliche Änderung) und dynamisch (schnelle Änderungen) gemessen werden. Typisch sind Frequenzen bis 50 khz. Die Schwingungsfestigkeit gibt an, wieviele Schwingungen abhängig von der Dehnung ohne Beschädigung oder Genauigkeitsverlust durchgeführt werden können. Typisch sind 10^8 Lastspiele bei ε=10^(-3)m/m, was von den meisten Messobjekten nicht erreicht wird. Querempfindlichkeit Die Querempfindlichkeit entsteht im wesentlichen durch die Dehnung der Kurvenstücke des Messgitters. Die werden daher verbreitert ausgeführt, um ihren Anteil am Gesamtwiderstand zu verringern. Temperatur Bei geeigner DMS- und Kleberauswahl kann dertemperaturbereich von 4K bis 1200K (900 C) überbrückt werden. DMS werden mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten (für verschiedene Objektmaterialien, begrenzter Temperaturbereich) angeboten. Längenänderungen aufgrund von Temperaturänderungen führen so nicht zu einem Messsignal, wenn sich das Material frei ausdehnen kann oder wenn der Körper überall die gleiche Temperatur besitzt (selbst-temperaturkompensierende DMS). weitere Umgebungseinflüsse Der Umgebungsdruck ist von Vakuum bis zu hohem überdruck möglich. Die magnetische Flussdichte kann bis über 2T ansteigen. Abhängig von der Dosis wird auch Kernstrahlung verkraftet. Genauigkeit Die erreichbare Genauigkeit liegt bei 20 C etwa zwischen 1% und 5%. 4. Formen von DMS Das Standard-Messgitter ist lang (z.b. 6mm) und schmal (z.b. 2mm), besitzt zwei Löt-Anschlusspunkte und wird in Längsrichtung belastet. Es wird nur in dieser einen Lastrichtung gemessen (einachsige Spannungsmessung), die Querempfindlichkeit ist gering. Die Grösse des Messgitters sollte viel größer (z.b. >10-fach) als die Strukturlängen des Messobjektes sein. Bei vielen Metallen sind die kleinsten verfügbaren Gitter verwendbar, wogegen z.b. bei Beton eine grosse Messgitterlänge erforderlich ist. Für mehrachsige Messungen sind auf einem Träger mehrere Messgitter in verschiedener Richtung nebeneinander oder übereinander angeordnet (Mehrfachgitter, Kreuzgitter). Bei bekannten Hauptspannungsrichtungen genügen zwei um 90 gegeneinander gedrehte Messgitter, bei unbekannter Hauptspannungsrichtung muss die Dehnung in drei Richtungen erfasst werden. Zum Aufbau von Halb- und Vollbrücken (und zur Temperatur- und Querkompensation) können sich ebenfalls mehrere Messgitter auf einem Träger befinden. Um Eigenspannungen in einer Fläche zu ermitteln dienen DMS-Rosetten mit Bohrloch. Es werden die Dehnungen vor und nach dem Durchbohren des Werkstückes gemessen und verglichen. Für die Messung bei sehr hohen bzw. sehr tiefen Temperaturen werden sog. Freigitter verwendet. Während der Applikation wird die Trägerfolie abgezogen. Die Befestigung erfolgt mit keramischen Kitten oder durch Punktschweisung. 5. Applikation Der Begriff der Applikation kann hier zwei unterschiedliche Bedeutungen haben. Zum einen versteht man daruter den Anwendungsfall wie z.b. Kraftmessung, Dehnungsüberwachung, Spannungsanalyse usw. Zum anderen versteht man darunter das Aufbringen, Verkleben, Anschließen einen DMS auf dem Trägermaterial. Bei der Applikation der DMS (im zweiten Sinne) muss sehr sorgfältig gearbeitet werden, damit später die Werkstoffdehnung vollständig auf die DMS übertragen wird.
Carl-Engler-Schule Karlsruhe Dehnungsmessstreifen (DMS) 3 (6) Bei der Vorbereitung der Unterlage werden nach einer Grobreinigung meist organische Lösungsmittel verwendet. Als Klebstoffe sind nur speziell für DMS vorgesehene Kleber zu verwenden. Bei dünner Klebeschicht und und einem grossen E-Modul des Klebers im ausgehärteten Zustand wird die Dehnung gut übertragen. Zur Zugentlastung der Anschlussdrähte sind eventuell separate Lötpunkte auf das Messobjekt zu kleben. Eine Lötung stellt die dauerhafte Verbindung ohne veränderliche übergangswiderstände dar. Beim Löten dürfen nur Lötmittel (z.b. Weichlot) verwendet werden, die kein korrodierendes Flussmittel enthalten (Kolophonium geeignet, Lötfett ungeeignet). Beim Leitermaterial spielen die Lötbarkeit, der elektrische Widerstand, die Isolation und die Flexibilität eine Rolle. Durch abgeschirmte Kabel lässt sich die Einstreuung von Störungen verringern. Zum Schutz gegen mechanische Einwirkungen, Verschmutzung und Feuchte erfolgt eine Abdeckung mit Lackschichten, Kitt, Kautschuk oder Epoxidharz. Durch die Entwicklung spezieller Trennmittel/Kleber-Kombinationen und Applikationsverfahren ist eine Wiederverwendung von DMS möglich. 6. Sonstiges 6.1 Fehler-Einflüsse Während des Betriebs sind insbesondere folgende Fehlereinflüsse zu kontrollieren: Temperaturänderungen an DMS und Zuleitungen (Widerstandsänderung, Thermospannung) Joulesche Wärme im Messgitter durch die Strombelastung (Messstrom) Magnetische Felder können Magnetostriktion (am Messobjekt, am Messgitter) hervorrufen. Bei veränderlichem Magnetfeld entstehen Induktionsspannungen. Hysterese bei starker Dehnung Feuchtigkeit von außen oder durch die Verkapselung eingeschlossen Bei der Messung der Dehnung an dünnen Blechen ist das Messgitter deutlich weiter von der neutralen Faser des Bleches entfernt als die Blechoberfläche. Dies muss durch eine entsprechende Korrektur berücksichtigt werden. Instabilitäten der Spannungsversorgung und des Verstärkers Vakuum beeinträchtigt die Messung nicht. Allerdings kann die Ausgasung von DMS, Kleber und Lack das Vakuum beeinträchtigen. 6.2 Anwendungen Messung von Dehnung Spannung Kraft Masse Weg, Position Druck Beschleunigung Drehmoment Torsion, Winkel Strukturschwingungen (Modalanalyse)
Carl-Engler-Schule Karlsruhe Dehnungsmessstreifen (DMS) 4 (6) 6.3 Ausblick Piezoelektrische DMS aus Bariumtitanat liefern eine dehnungsabhängige Ladung (aktiver Sensor), die über einen Ladungsverstärker abgeleitet und damit gemessen werden kann. Es sind daher keine statischen Messungen möglich. An einem Spannungsverstärker mit hochohmigem Eingang (MegaOhm) erhält man bei wechselnder Beanspruchung leicht Spannungen im Volt-Bereich. Dünnfilm-DMS werden durch Sputter-Verfahren (Vakuum-Aufdampfung) direkt auf das Werkstück aufgebracht. Halbleiter-DMS liefern ein wesentlich größeres Mess-Signal (k=100), sind aber stark temperaturabhängig. Piezoresistive Sensoren lassen sich als Massenprodukt als integrierte Schaltung, auch zusammen mit Temperaturkompensation und Messverstärker, herstellen. Silizium-Mechanik ist Teil der Micro-System-Technik, bei der miniaturisierte mechanische Systeme (Biegebalken, Membran, Schwingungsharfe) zusammen mit piezoresistiven Sensoren und Elektronik auf einem Silizium-Chip untergebracht sind. 7. Brückenschaltungen In Brückenschaltungen ergibt sich als Mess-Signal eine Spannungsdifferenz. Das Messgerät kann bei den kleinen Werten der Differenz in einem kleinen Messbereich mit höherer Empfindlichkeit arbeiten. Außerdem wirken manche Störungen in Brückenschaltungen auf entsprechende Brückenzweige und kompensieren sich dadurch. 7.1 Viertelbrücke in 2-Leiter-Technik Die Viertelbrücke ersetzt einen der vier Brückenwiderstände durch einen DMS. Für die Verbindung vom Messverstärker zum DMS sind zwei Leiter erforderlich. Bei der Messung wird auch die Änderung dieser Leitungswiderstände (durch Temperatur, Zug) mitgemessen. 7.2 Viertelbrücke in 3-Leiter-Technik Spaltet man den Rückleiter in zwei Drähte auf, einen zum Messeingang und einen zum Brückenwiderstand, erhält man eine Viertel-Brücke in 3- Leiter-Technik. Der Leitungswiderstand verteilt sich auf zwei Brückenhälften und kompensiert sich bei gleichgroßen Änderungen. In beiden Messschaltungen ist die Brückenspannung nicht streng proportional zur Widerstandsänderung und die Abweichung sogar unsymmetrisch zu Null. Bei einer Dehnung von 1.5% ist die Widerstandsänderung (bei k=2) 3% und der Linearitätsfehler etwa 1%.
Carl-Engler-Schule Karlsruhe Dehnungsmessstreifen (DMS) 5 (6) 7.3 Halbbrücke in 3-Leiter-Technik Bei der Halbbrücke sind die beiden Widerstände einer Brückenseite als DMS ausgeführt. Sind sie so appliziert, dass bei gleichem Betrag der eine DMS gedehnt und der andere gestaucht ist, verdoppelt sich das Messsignal im Vergleich zur Viertel-Brücke. In diesem Fall bleibt der Gesamtwiderstand des Brückenzweiges konstant, das Messsignal ist proportional zur Widerstandsänderung. Der Widerstand der Zuleitungen kompensiert sich. Wird der zweite DMS quer zur Spannungsrichtung appliziert, behält er seinen Widerstand bei Dehnung konstant, ändert ihn aber wie der erste DMS mit der Temperatur des Werkstücks (Temperaturkompensation). 7.4 Zwei-Viertelbrücke (Diagonal-Brücke) in 4-Leiter-Technik Sind zwei DMS so appliziert, dass sie jeweils die selbe Dehnung erfahren, können sie an diagonal gegenüberliegenden Stellen der Brücke angeschlossen werden. Dabei verdoppelt sich die Brückenspannung im Vergleich zur Viertelbrücke. Auch bei dieser Schaltung ist die Brückenspannung nichtlinear. Häufig wird mit vier Messgittern eine Vollbrücke verschaltet, aber als Diagonalbrücke betrieben. Zwei DMS nehmen die Dehnung auf, die beiden anderen DMS sind quer zur Dehnungsrichtung appliziert und dienen so zur Temperaturkompensation. 7.5 6. Vollbrücke in 4-Leiter-Technik Bei der Vollbrücke sind alle vier DMS aktiv. Jezwei diagonal gegenüberliegende DMS sind derselben Dehnung ausgesetzt. Unterscheidet sich die Dehnung der beiden anderen DMS davon immer nur durch das Vorzeichen, erhält man eine lineare Brückenspannung mit dem vierfachen Wert einer Viertelbrücke.
Carl-Engler-Schule Karlsruhe Dehnungsmessstreifen (DMS) 6 (6) 7.6 Vollbrücke in 6-Leiter-Technik Bei der Vollbrücke in Sechs-Leiter-Technik wird mit zwei zusätzlichen Leitern die Versorgungsspannung direkt an der Brücke gemessen. Durch den hochohmigen Innenwiderstand des Messgerätes ergibt sich auf diesen Leitungen kein Spannungsabfall. Mit diesem Istwert wird die Spannung des Versorgungsnetzteils nachgeregelt. 7.7 Empfindlichkeit und Linearität Empfindlichkeit der Brückenschaltung gibt an, wie sich die Signalspannung pro relativer Widerstandsänderung (eines bzw. mehrerer DMS) verhält. Da die Signalspannung auch von der Spannung der Brückenversorgung abhängt, wird sie in mv/v angegeben. Möchte man die Empfindlichkeit auf die relative Dehnung beziehen, ist der k-faktor der DMS einzubeziehen. Die Linearität zwischen Dehnung und Brückenspannung ist nur gegeben, wenn sich der Gesamtwiderstand in jedem Brückenzweig während der Belastung nicht ändert. Sonst ist die Linearität nur näherungsweise bei kleinen Auslenkungen erfüllt. Zur Nichtlinearität trägt auch der von Null verschiedene Innenwiderstand der Spannungsquelle und der Leitungswiderstand der Brücken-Versorgung bei, sowie der endliche Eingangswiderstand des Verstärkers. Die Brücke kann auch mit einem Konstantstrom versorgt werden, was aber in der Praxis seltener anzutreffen ist. 7.8 Messverstärker Messverstärker für DMS-Messungen besitzen neben dem eigentlichen Verstärker weitere Komponenten, die zur Messung erforderliche sind wie Spannungsverstärker, Brückenversorgung (stabilisiert), Ergänzungswiderstände, Nullpunktseinstellung, Tara-Funktion, Skalierung, Filter, Grenzwertschalter, Kalibriereinrichtungen, Anzeige und Schnittstelle. Folgende Verstärkertypen sind anzutreffen: Beim Trägerfrequenz-Verstärker (Wechselspannungs-Verstärker) wird die Brücke durch eine sinusförmige Wechselspannung von meist 5kHz versorgt. Der Verstärker ist auf diese Frequenz abgestimmt. Er verstärkt nur die Messfrequenz und nicht die bei anderen Frequenzen liegenden Störungen. Er ist daher besonders für den Einsatz in "verseuchter" Umgebung geeignet und eignet sich auch für die Positionsmessung mit induktiven Sensoren (LVDT). Die Information steckt in der Amplitude und Phase der Brückenspannung. Der Verstärker muss einen phasenempfindlichen Detektor besitzen, um das Vorzeichen der Brückenverstimmung erkennen zu können. Der (komplett) Digitale Verstärker lässt sich nicht nur mit digitalen Signalen steuern, sondern realisiert alle Auswertefunktionen mit digitalen Rechenschaltungen. Die Messspannung wird ganz nah am DMS in ein Digitalsignal umgesetzt (eventuell mit analogem Anti-Aliasing-Filter davor). Damit werden analoge Störeinflüsse in der Messkette weitgehend ausgeschaltet. Natürlich lassen sich alle Rechenfunktinen nach der Datenübertragung auch in einem Computerprogramm ausführen.