IE-Dehnungsmessstreifen

IE-Komplementärfach „Dehnungsmessstreifen (DMS)“

IE-Matura 2006

Komplementärfach:

Dehnungsmessstreifen(DMS)

©2006 by Platz Philipp Seite 1Version 0.1 – Stand 12 April 2023


Inhaltsverzeichnis

1. Prinzip der Messung der Dehnung

2. Funktion der DMS

3. Messvorgang

4. Temperaturabhängigkeit

5. Messschaltungen5.1. Viertelbrücke5.2. Halbbrücke5.3. Vollbrücke

6. Auswerteschaltung

7. Quellenangabe



1. Prinzip der Messung der Dehnung

Zug und Druckkräfte verändern die Form eines Körpers.Die Dehnung ist die relative Längenänderung bei Krafteinwirkung..

2. Funktion der DMS

Zur elektrischen Messung der Dehnung wurden die Dehnungsmessstreifen entwickelt.Auf einem Isoliermaterial aus Kunststoff und Papier ist ein Widerstandsdraht angebracht. Der Wert des Widerstandsdrahtes verändert sich mit der Längenänderung, weil sich bei einer solchen Änderung auch der Querschnitt des Drahtes ändert.

relative Widerstandsänderung

… Dehnung … Verhältnis von relativer Durchmesseränderung zur Dehnung … spezifischer Widerstand



Empfindlichkeit

Daraus folgt:

Der k-Faktor (Empfindlichkeit) gibt an, um wie viel größer die relative Widerstandsänderung ist.Halbleiter haben eine größere Empfindlichkeit, der Nachteil ist aber, dass sie stark Temperaturabhängig sind.

k-Werte: Konstantan (60% Cu, 40% Ni): k Dotiertes Silizium: k

Die maximal zulässige Dehnung liegt im Bereich bis

Eine Überdehnung hat bleibende Verformung des Materials in der entspannten Lage zur Folge => anderer Widerstandswert in entspannter Lage.

Dehnungsmessstreifen können in beliebigen Formen hergestellt werden. So kann man auch sehr komplexe Dehnungsvorgänge realisieren, wie zB: Dehnungsverteilung bei Druckbeanspruchung einer Membran oder Veränderung des Durchhangs von Brücken.

3. Messvorgang

Zum Messen wird der Dehnungsstreifen an einer entfetteten, sauberen Stelle des Materials angeklebt (mit einem elastischen Kleber), von welchem die Dehnung gemessen werden soll.



4. Temperaturabhängigkeit

Der Widerstand des DMS wird auch von der Temperatur bestimmt.Besonders stark wirken sich Temperaturschwankungen bei Halbleiterdehnungsmessstreifen aus. Diese Halbleiter müssen in Brückenschaltungen kompensiert werden.Konstantan hat eine vernachlässigbare Widerstandsänderung bei Temperaturschwankungen und kann für Temperaturen bis zu 300° verwendet werden.

Außerdem dehnt sich der Streifen selbst bei Temperaturerhöhung aus. Diese thermische Ausdehnung tritt nicht auf, wenn das zu messende Material denselben Ausdehnungskoeffizient () wie der Messstreifen hat. Wenn hier aber Unterschiede sind, dann treten Messfehler auf, da der DMS durch das Material gedehnt oder gestaucht wird.Einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie Konstantan hat zB: Stahl und Beton.

Thermischer Ausdehnungskoeffizient von Konstantan:

Wenn Unterschiede in den Koeffizienten auftreten, so müssen Kompensierungsmaßnahmen getroffen werden (Siehe Messschaltungen).

Kenndaten eines DMS:Nennwiderstand: 100 bis 600 Ein praktisches Beispiel:R= 598 0,25%k= 2,12 1%

Messstrom 10 mA



5. Messschaltungen für DMS

Es werden Ausschlag-Brückenschaltungen verwendet, die mit Gleichspannung oder niederfrequenter Wechselspannung (zB: 5kHz) betrieben werden.Sie werden verwendet, weil:

sie die Auswertung von Widerstandsänderungen erlauben die Temperaturkompensation des DMS erreichbar ist die Empfindlichkeit durch Einsatz mehrerer DMS erhöht werden kann.

Von den 4 Brücken muss es mindestens einen DMS geben, der Rest sind normale Widerstände. Für genauere Messungen gibt es sogar bis zu 4 DMS in einer Schaltung. Der Einsatz mehrerer DMS hat auch zum Vorteil, dass der Temperaturgang reduziert wird. D.h.: Die Schaltung ist nicht mehr so Temperaturanfällig.

Folglich gibt es mehrere Arten von Brückenschaltungen: DMS-Viertelbrücke DMS-Halbbrücke DMS-Vollbrücke

Die Brücken werden im unbelasteten Zustand auf 0 abgeglichen.Bei Dehnung bzw. Stauchung treten Widerstandsänderungen mit verschieden Vorzeichen auf.Wenn der DMS gestaucht wird, so wird die Spannung negativ bei einer Streckung wird sie positiv. Deswegen kann man auch Messfehler kompensieren, wenn man mehrere DMS anhängt (zum Verständnis siehe DMS-Vollbrücke).



5.1. DMS-Viertelbrücke

In dieser Schaltung gibt es einen DMS und drei normale Widerstände.Wegen der Dehnung erhöht sich der Widerstand des DMS um R2 und es entsteht die positive Spannung UAB0.Diese Schaltung sollte man nur einsetzen, wenn fast keine Temperatureinflüsse vorhanden sind.

Es gibt aber auch eine Viertelbrückenschaltung, bei der 2 DMS vorkommen.Eines dieser DMS wird aktiv gedehnt und der Zweite wird nur von der Temperatur beeinflusst. Die Temperaturgänge von R1K und R2 sind gleich, damit sich die Brückenspannung kompensiert.

5.2. DMS-Halbbrücke

In dieser Schaltung sind ebenfalls 2 DMS vorhanden. Ein DMS wird immer gestreckt, das andere gestaucht. Das führt zu einer Widerstandsänderung mit unterschiedlichen Vorzeichen =>Temperaturgänge werden reduziert und Brückenspannung verdoppelt.



5.3. DMS-Vollbrücke

In dieser Schaltung gibt es vier DMS. Zwei DMS werden gestaucht, Zwei von ihnen gedehnt => Vervierfachung der Brückenspannung, Kompensation des Temperaturganges.Die Formel, die unten steht, zeigt die Kompensation sehr gut.



6. Auswerteschaltung

Wegen den geringen Widerstandsänderungen bei einer Messung mit einem DMS kommt es zu sehr geringen Brückenspannungen. Dies kann bei Gleichstrom zu Offsetproblemen führen. Behoben wird dieses Problem durch das Anlegen von Wechselspannung (500Hz bis 50kHZ) an die Messschaltungen.An die Brückenschaltung schließt man ein so genanntes Trägerfrequenzsystem an.Als erstes wird das Wechselspannungssignal verstärkt und dann gleichgerichtet.Die Gleichrichtung erfolgt mit Hilfe eines Phasenselektiven Gleichrichters. Dieser sorgt dafür, dass die Phasenlage der Brückenlage nicht zu verändern.Danach filtert ein Tiefpass noch die letzten Wechselspannungsreste heraus.

7. Quellenangabe

Buch: Elektronische Messtechnik (von Wolfgang Schmusch)


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