Messungen mit Dehnungsmessstreifen

Dieses Dokument ist Teil unseres Informationsportals „Praktische Anleitungen für die gängigsten Messungen“.

Übersicht über Dehnung und Dehnungsmessstreifen

Dehnung versteht man das Ausmaß der Verformung eines Körpers infolge einer Krafteinwirkung. Konkret ist Dehnung (e) definiert als relative Längenänderung, d. h. als Verhältnis von resultierender zu ursprünglicher Länge (s. Abb. 1). Es gibt zwar mehrere Möglichkeiten der Dehnungsmessung, zumeist jedoch werden Dehnungsmessstreifen (DMS) verwendet. Hierbei handelt es sich um eine Messvorrichtung, deren elektrischer Widerstand sich entsprechend der im Prüfling auftretenden Dehnung verändert. Unter den Dehnungsmessstreifen wiederum sind Metall-DMS, deren Trägerschicht mit dem Prüfling fest verklebt wird, am gebräuchlichsten.

Dieses Video zeigt Ihnen in nur zwei Minuten, wie eine Messung mit Dehnungsmessstreifen durchgeführt wird.

 

Abbildung 1: Die Definition von Dehnung

Metall-DMS basieren auf einer Metallfolie bzw. – wenn auch nicht so häufig – auf einem hauchdünnen Draht, der nach einem bestimmten Muster, z. B. mäanderförmig, angeordnet ist. Mit diesem Gittermuster wird das Ziel verfolgt, den Draht bzw. die Metallfolie auf möglichst großer Länge der parallel wirkenden Dehnkraft auszusetzen (s. Abb. 2). Das Metallgitter ist in eine dünne Trägerfolie eingelassen, die ihrerseits direkt auf dem Prüfling aufgebracht wird, z. B. durch Kleben oder Schweißen. Dadurch wird die im Prüfling auftretende Dehnung direkt auf den Dehnungsmessstreifen übertragen, der mit einer linearen Änderung seines elektrischen Widerstands reagiert. Dehnungsmessstreifen sind mit Nennwiderständen zwischen 30 und 3000 Ω erhältlich, wobei solche mit 120 Ω, 350 Ω und 1000 Ω am häufigsten zum Einsatz kommen.

Abbildung 2: Aufbau eines DMS: Metallgitter auf Trägerfolie

Typische Schaltungskonfigurationen für DMS
In der Praxis bewegen sich gemessene Dehnungswerte zumeist im unteren Milli-Bereich (e x 10^-3). Folglich setzt die präzise Messung von Dehnung die Erfassung minimaler Änderungen des Widerstands voraus. Damit derart geringe Widerstandsabweichungen überhaupt präzise gemessen werden können, werden Dehnungsmessstreifen fast immer in einer Brückenschaltung inklusive Speisespannung verwendet. Die geläufige Wheatstone-Brücke (vgl. Abbildung 3) basiert auf vier Widerstandszweigen sowie einer Speisespannung V_EX, die an die Brücke angelegt wird.

Abbildung 3: Wheatstone-Brücke

Die resultierende Signalspannung/Ausgangsspannung der Brücke, V_O, ergibt sich folgendermaßen:

Die Signalspannung V_O beträgt gemäß dieser Gleichung 0 V, wenn das Verhältnis von R₁/R₂ gleich R₄/R₃ ist. In diesem Falle spricht man von einer abgeglichenen Brücke. Jegliche Änderung des Widerstands in einem der vier Widerstandszweige ergibt somit automatisch eine Signalspannung ungleich 0 V.

Wird also in Abbildung 3 der Zweig R₄ durch einen aktiven Dehnungsmessstreifen ersetzt, bringt jede Änderung im Widerstand des DMS die abgeglichene Brücke aus dem Gleichgewicht und führt so zu einer Signalspannung ungleich 0 V. Bei einem DMS-Nennwiderstand R_G gilt für die durch die Dehnung hervorgerufene Widerstandsänderung DR die Gleichung DR = RG • K • e. Setzt man R₁ = R₂ und R₃ = R_G, so lässt sich V_O/V_EX durch Umformen der obigen Gleichung als Funktion der Dehnung ausdrücken (vgl. Abb. 4). Beachten Sie, dass 1/(1 + GF • e/2) das Ausgangssignal der Viertelbrücke hinsichtlich der Dehnung nicht linear ändert.

Abbildung 4: Viertelbrückenschaltung

Im Idealfall würde sich der Widerstand des Dehnungsmessstreifens nur entsprechend seiner Dehnung verändern. Jedoch reagiert sowohl das Material des DMS selbst als auch jenes des Prüflings, an dem mittels DMS Messungen erfolgen sollen, auf Temperaturänderungen. Die Hersteller von DMS versuchen, diese Temperaturempfindlichkeit zu minimieren, indem sie das DMS-Material speziellen Verarbeitungsverfahren unterziehen, um den Einfluss der Wärmeausdehnung des Werkstoffs, aus dem der zu vermessende Prüfling besteht, zu kompensieren. Solche temperaturkompensierte Dehnungsmessstreifen reduzieren die Temperaturempfindlichkeit zwar erheblich, können sie jedoch nicht gänzlich beseitigen.

Durch Verwendung von zwei Dehnungsmessstreifen in der Brücke kann die Temperaturempfindlichkeit noch weiter reduziert werden. In Abbildung 5 beispielsweise ist eine DMS-Konfiguration dargestellt, bei der ein DMS aktiv ist (R_G + DR), während ein zweiter DMS bezogen auf die Ausrichtung des aktiven DMS um 90° gedreht auf dem Prüfling angebracht ist. Dieser inaktive DMS erfährt deshalb nur eine geringe Dehnung. Gleichzeitig aber beeinträchtigt jegliche Temperaturänderung beide DMS auf dieselbe Weise. Da die Temperaturschwankungen in beiden DMS identisch sind, bleibt das Verhältnis ihrer Widerstände konstant, die Ausgangsspannung V_O ändert sich nicht. Die Auswirkungen von Temperaturänderungen sind somit minimal.

Abbildung 5: Einsatz eines inaktiven DMS zur Beseitigung von Temperatureinflüssen

Die Dehnungsempfindlichkeit der Brücke lässt sich durch die Verwendung zweier aktiver DMS in einer Halbbrückenkonfiguration verdoppeln. Abbildung 6 etwa zeigt eine Biegebalkenanwendung, bei der infolge ihrer Anordnung ein DMS eine Expansion (R_G – DR) und ein zweiter DMS eine Kompression (R_G + DR) erfährt. Diese Halbbrückenkonfiguration, deren Schaltbild in derselben Abbildung zu sehen ist, liefert eine lineare, gegenüber der Viertelbrücke ca. doppelt so hohe Ausgangsspannung.

Abbildung 6: Halbbrückenschaltung

Die Dehnungsempfindlichkeit der Brückenschaltung lässt sich weiter erhöhen, indem im Rahmen einer Vollbrückenkonfiguration alle vier Brückenzweige mit aktiven DMS versehen werden. Abbildung 7 zeigt eine Vollbrückenschaltung.

Abbildung 7: Vollbrückenschaltung

So ist ein einzelner aktiver DMS in einem Brückenzweig eine Viertelbrückenschaltung, zwei Zweige mit aktiven DMS eine Halbbrückenschaltung und alle vier Zweige mit aktiven DMS eine Vollbrückenschaltung.

DMS sind nicht polarisiert, allerdings muss, abhängig davon, welche der oben beschriebenen drei Brückenschaltungen benutzt wird, eine unterschiedliche Anzahl von Verbindungen zur Hardware hergestellt werden (siehe unten).

Durchführung einer DMS-Messung

Die meisten DMS-Messlösungen bieten Möglichkeiten für die Messung von Viertel-, Halb- und Vollbrückenschaltungen.

Als Beispiel soll hier ein NI-CompactDAQ-System mit dem Brückenmodul der C-Serie NI 9237 mit simultaner Abtastung auf vier Kanälen dienen (s. Abb. 8). 

Abbildung 8: NI CompactDAQ und das Brückenmodul NI 9237

Abbildung 9 zeigt den Schaltplan für die Verdrahtung eines DMS in einer Viertelbrückenschaltung mit diesem Modul.

Das eine Ende des DMS wird mit dem IN+-Terminal am Modul und das andere Ende mit dem QTR-Anschluss verbunden (NI 9944/9945 für Viertelbrückenkonfiguration). Der Anschluss EX– wird wegen der Viertelbrückenkonfiguration nicht verdrahtet und R3 ist intern für die Messhardware belegt (s. Abb. 9).

 

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Abbildung 9: Verdrahtung einer Viertelbrückenkonfiguration

Zur Messung einer Halbbrückenkonfiguration werden zwei Drähte von den aktiven Elementen mit den Anschlüssen EX+ und EX– am Modul verbunden. Zuletzt wird ein Draht vom gemeinsamen Knotenpunkt der beiden aktiven Elemente zum AI+-Anschluss am Messmodul gezogen (s. Abb. 10).

Abbildung 10: Verdrahtung einer Halbbrückenkonfiguration

Zur Messung einer Vollbrückenkonfiguration werden schließlich der gemeinsame Knotenpunkt von R1 und R4 mit EX+ und der gemeinsame Knotenpunkt von R2 und R3 mit EX– verbunden. Darüber hinaus erfolgt eine Verbindung des Knotenpunkts zwischen R3 und R4 mit AI+ und dasselbe für R1 und R2 mit AI– (s. Abb. 11).

 

Abbildung 11: Verdrahtung einer Vollbrückenkonfiguration

 

Messungen darstellen: NI LabVIEW

Wenn der Sensor an das Messgerät angeschlossen ist, können Daten für die Darstellung mit der grafischen Programmiersoftware NI LabVIEW zum Computer übertragen werden.

Abbildung 12 zeigt ein Beispiel der grafischen Darstellung gemessener Dehnung in der LabVIEW-Programmierumgebung.

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Abbildung 12: In LabVIEW angezeigte Daten zur Dehnungsmessung

 

Empfohlene Hardware und Software

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Software zur Verwaltung und Auswertung archivierter Messdaten (ni.com/diadem/d)

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Dehungsmessung mithilfe von Dehnungsmessstreifen

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