Grundlagen der Dehnungsmessstreifenmessung

Der Dehnungsmessstreifen ist eines der nützlichsten Werkzeuge zur genauen Messung der Ausdehnung oder Kontraktion eines Materials bei Krafteinwirkung. Dehnungsmessstreifen sind auch nützlich, um aufgebrachte Kräfte indirekt zu messen, wenn sie ungefähr linear mit der Verformung des Materials ausgerichtet sind.

Was sind Dehnungsmessstreifen?

Dehnungsmessstreifen sind Sensoren, deren elektrischer Widerstand proportional zum Ausmaß der Dehnung (Verformung eines Materials) variiert.

Ein idealer Dehnungsmessstreifen würde seinen Widerstand proportional zur Längsdehnung der Oberfläche ändern, an der der Sensor angebracht ist.

Es gibt jedoch andere Faktoren, die die Beständigkeit beeinflussen können, wie z. B. Temperatur, Materialeigenschaften und der Klebstoff, der das Messgerät mit dem Material verbindet.

Ein Dehnungsmessstreifen besteht aus einem parallelen Gitter aus sehr feinem Metalldraht oder Folie, das durch eine dünne isolierte Epoxidschicht mit der verspannten Oberfläche verbunden ist. Wenn das gebundene Material gespannt wird, wird die Spannung durch den Klebstoff übertragen. Die Gitterform ist in einem Muster gestaltet, das eine maximale Widerstandsänderung pro Flächeneinheit bietet.

So wählen Sie Dehnungsmessstreifen aus

Bei der Auswahl eines Dehnungsmessers für eine Anwendung sind die drei Hauptaspekte die Betriebstemperatur, die Art der zu erfassenden Dehnung und die Stabilitätsanforderungen.

Da ein Dehnungsmessstreifen an einer verspannten Oberfläche montiert ist, ist es wichtig, dass der Dehnungsmessstreifen gleichmäßig mit der Oberfläche gespannt ist. Das Klebematerial sollte sorgfältig ausgewählt werden, um die Belastung über einen weiten Temperaturbereich und andere Bedingungen zuverlässig auf den Sensor zu übertragen.

Der Widerstandswert eines Dehnungsmessers variiert in Abhängigkeit von der angelegten Dehnung gemäß: Änderung von R / R = S wobei R der Widerstand ist, e die Dehnung ist und S der Dehnungsempfindlichkeitsfaktor ist. Bei Metallfolienmessgeräten beträgt der Dehnungsempfindlichkeitsfaktor etwa 2.

Die Dehnungsinkremente betragen normalerweise weniger als 0,005 Zoll / Zoll und werden häufig in Mikrodehnungseinheiten ausgedrückt. Aus der Formel ist ersichtlich, dass sich der Widerstand des Dehnungsmessers mit der gegebenen Dehnung in sehr kleinen Mengen in der Größenordnung von 0,1% ändert.

Ein Spannungswert kann dann von diesem Widerstand in Millivolt pro Volt (mV / V) abgelesen werden, um den Messwert für die Dehnung bereitzustellen.

Das Poisson-Verhältnis ist ein Maß für die Ausdünnung und Dehnung, die im Material auftritt, wenn es gespannt wird. Wenn beispielsweise eine Zugkraft auf einen Widerstandsdraht ausgeübt wird, wird der Draht etwas länger und gleichzeitig dünner. Dieses Verhältnis dieser beiden Stämme ist das Poisson-Verhältnis.

Dies ist das Grundprinzip bei DMS-Messungen, da der Drahtwiderstand aufgrund des Poisson-Effekts proportional ansteigen würde.

So messen Sie die Dehnungsmessstreifenleistung genau

Um eine kleine Widerstandsänderung genau zu messen, werden Dehnungsmessstreifen fast immer in einer Brückenkonfiguration mit einer Spannungsanregungsquelle gefunden.

Die Wheatstone-Brücke wird üblicherweise wie in der Abbildung gezeigt verwendet. Die Brücke ist ausgeglichen, wenn die Widerstandsverhältnisse auf beiden Seiten gleich sind oder R1 / R2 = R4 / R3. Offensichtlich ist die Ausgangsspannung unter dieser Bedingung Null.

Wenn sich der Dehnungsmessstreifenwiderstand (Rg) ändert, ändert sich die Ausgangsspannung (Vout) um einige Millivolt, und diese Spannung wird dann von einem Differenzverstärker verstärkt, um einen lesbaren Wert zurückzugeben.

Diese Wheatstone-Schaltung eignet sich auch gut zur Temperaturkompensation - sie kann die Auswirkungen der Temperatur nahezu eliminieren. Manchmal ist das Messmaterial so ausgelegt, dass es die Wärmeausdehnung ausgleicht, aber dadurch wird die Wärmeempfindlichkeit nicht vollständig beseitigt.

Um eine bessere Wärmekompensation zu erreichen, könnte ein Widerstand wie R3 durch einen ähnlichen Dehnungsmessstreifen ersetzt werden. Dies würde dazu neigen, Temperatureffekte aufzuheben.

Tatsächlich könnten alle vier Widerstände durch DMS-Sensoren für maximale Temperaturstabilität ersetzt werden. Zwei von ihnen (R1 und R3) könnten zur Messung der Kompression eingerichtet werden, während die anderen beiden (R2 und R4) zur Messung der Spannung eingerichtet werden.

Dies gleicht nicht nur die Temperatur aus, sondern erhöht auch die Empfindlichkeit um den Faktor vier. Zugmessgeräte mit elektrischen Widerstandselementen sind bei weitem der häufigste Sensortyp zur Dehnungsmessung, da sie auch die Vorteile geringerer Kosten besitzen als gut etabliert.

Sie sind in kleinen Größen erhältlich und werden nur mäßig von Temperaturänderungen beeinflusst, wobei gleichzeitig ein Fehler von weniger als +/- 0,10% erreicht wird. Gebundene Widerstands-Dehnungsmessstreifen sind ebenfalls hochempfindlich und können zur Messung sowohl der statischen als auch der dynamischen Dehnung verwendet werden.

Für bestimmte Anwendungen stehen jedoch andere Typen zur Verfügung, z. B. piezo-resistiv, kohlenstoffresistent, halbleitend, akustisch, optisch und induktiv.

Es gibt sogar DMS-Sensoren, die auf einer Kondensatorschaltung basieren.