Schaltung

Dehnmeßstreifen (DMS)

Alle physikalischen Prozesse, die eine elastische bzw. plastische Formänderung von Körpern erzeugen, lassen sich mit der Dehnungsmeßtechnik erfassen. Zu den typischen Meßgrößen gehören Kraftwirkungen, Temperatureinflüsse, Schwingungserscheinungen, wegbedingte Formänderungen und andere. Als Meßwertaufnehmer dient der Dehnungsmeßstreifen, abgekürzt DMS.
Die Robustheit von DMS machen sie für eine Vielzahl von Anwendungen auch in der industriellen Meßtechnik interessant. Sie vertragen eine hohe Zahl von Lastwechseln, haben nur eine unbedeutende Hysterese, weisen eine sehr geringe Eigenmasse auf, besitzen keinerlei bewegte Teile, sind wenig temperaturabhängig, messen eindeutig lokal und liefern lineare Werte.

Funktionsweise

DMS sind resistive Sensoren, das heißt sie arbeiten nach dem Prinzip der Widerstandsänderung eines gedehnten Drahtes bzw. einer Metallfolie. Der Widerstand eines elektrischen Leiters errechnet sich allgemein aus dem spezifischen Widerstand des Materials und seiner Länge, bezogen auf den Querschnitt (Formel 1).Formeln 1+2
Nimmt man an, daß bei der Dehnung keine Volumenänderung eintritt, ergibt sich für die Widerstandsänderung Formel 2a. Das heißt, die relative Widerstandsänderung ist (theoretisch) doppelt so groß wie die relative Längenänderung (Dehnung). Da sich allerdings bei der Dehnung der spezifische Widerstand ändert (Gefüge), ergeben sich in der Praxis für die einzelnen, üblicherweise verwendeten Materialien andere Verhältniszahlen (k-Faktor, siehe Formel 2b): 2,1 für Konstantan, 2,2 für NiChrome und 3,3 für Isoelastic. Diese k-Faktoren werden bei der Herstellung ermittelt und auf der DMS-Packung angegeben.

Aufbau

Dehnmeßstreifen bestehen entweder aus einem 0,018 bis 0,025 mm dicken Widerstandsdraht, der mäanderförmig auf eine Trägerfolie aufgebracht wird, oder aus einer entsprechenden Metallfolie, die durch Ätzen oder Aufdampfen in gleicher Weise strukturiert ist. Gegebenenfalls erhält der DMS noch eine Deckfolie, die wie der Träger elastisch und hoch isolierend sein muß (Kunststofffolie).
Formel 3
Zur Befestigung der DMS auf dem zu untersuchenden Objekt verwendet man schnell abbindende Kleber, die temperaturstabil, isolationsfest und dehnungselastisch sein müssen.

Meßschaltung

Um die kleinen Widerstandsänderungen eines DMS erfassen zu können, werden Brückenschaltungen verwendet, in denen vier, zwei oder einer der Brückenwiderstände Dehnmeßstreifen sein können. Man spricht dann von Voll-, Halb- oder Viertelbrücken.
Betrachtet man nur einen Brückenzweig, bestehend aus R1 und R2 (Halbbrücke), dann sind für die Erzielung einer hohen Brückenspannung beide DMS so am Meßobjekt anzubringen, daß sie entgegengesetzte Dehnungen erfahren (z.B. Zug- oder Druckbeanspruchung an einer Biegestelle). Bei einer Vollbrücke sind R1 und R4 sowie R2 und R3 der Dehnung mit dem gleichen Vorzeichen auszusetzen.

Formel 4

Um den Abgleich der Brücke zu vereinfachen, sollten alle verwendeten Widerstände den gleichen Wert haben. Widerstände, die keine DMS sind, heißen Brückenergänzungswiderstände. Sie müssen eine hinreichende Präzision und einen dem DMS angepaßten Temperaturgang besitzen.
Die Temperaturkompensation der Messung besteht aus zwei großen Komplexen. Erstens muß der Ausdehnungskoeffizient des DMS an das zu untersuchende Material angepaßt werden und zweitens müssen die temperaturabhängigen Änderungen aller Brückenwiderstände entweder sehr klein sein oder sich durch Kompensation eliminieren lassen.
Materialangepaßte DMS werden durch die Hersteller bereit gestellt.
Die Halb- und die Vollbrücke gewährleisten dann eine Temperaturkompensation, wenn gleichartige DMS und Ergänzungswiderstände der gleichen Temperatur ausgesetzt werden. Bei Viertelbrücken ist die Temperaturkompensation des Widerstandes ungleich schwieriger.

Anmerkung zu den Formeln 3 bis 5: Das Minuszeichen gibt an, daß die (positive) Spannungsrichtung für die betrachteten Winderstandsänderungen entgegen dem UO-Pfeil im obigen Bild zu zählen ist.
Formel 5

Halbleiter-DMS

Bisher wurden in den obigen Aussagen nur die "klassischen" Metall-Dehnmeßstreifen betrachtet. In der technischen Entwicklung befinden sich Halbleiterwiderstände insbesondere in der Druckmeßtechnik auf dem Vormarsch. Diese haben neben den geringen Abmessungen vor allem den Vorteil, daß der Proportionalitätsfaktor k, der das Verhältnis zwischen der relativen Widerstandsänderung und der relativen Dehnung angibt, bei Werten um 100 liegt.
Ihr Meßeffekt liegt weniger in der Längen- und Querschnittsänderung, sondern beruht auf der Piezo-Widerstandsänderung in Halbleitern.
Allerdings ist die Linearität der Halbleiter-DMS nicht so hoch wie bei Folien- oder Draht-DMS und die Temperaturabhängigkeit ist bei Halbleitern enorm, so daß HL-DMS, auch aus Gründen der rationellen Fertigung (Fotolithografie), meist in Vollbrückenschaltungen eingesetzt werden. Ihr Einsatzgebiet liegt dann im kostengünstigeren Massen- und Konsumer-Markt.


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Jena, den 26. Juni 1996, zuletzt bearbeitet am 2. Dezember 2003 © Hmg.