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Referat über DMS
  (Dehnungsmessstreifen)


von Mirko Betz und Alexander Koch




 1. Dehnungsmessstreifen


 2. Physikalischer Effekt


 3. DMS-Aufbau


 4. Kenndaten


 5. Verschiedene Formen von DMS


 6. Applikation


 7. Anwendungsgebiete


 8. Vorteile


 9. Nachteile
1. 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.




2. 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.




3. DMS Aufbau
Dehnungsmessstreifen bestehen aus einer mit Metall beschichteten
Trägerfolie, aus der die Form des Messgitters herausgeätzt ist. Dieser
Streifen wird mit speziellen Klebern auf das Werkstück aufgebracht
(appliziert), mit Anschlussdrähten versehen und meist mit einem Schutzlack
abgedeckt.
Folien-Dehnungsmessstreifen

Sie sind die am häufigsten verwendeten Dehnungsmessstreifen. Bei Folien-DMS
wird ein metallisches Messgitter in einem galvanischen Verfahren auf eine
Trägerfolie aufgetragen. Durch dünne Kunststoffschichten auf beiden Seiten ist das
Messgitter mechanisch geschützt. Für Messungen im Höchsttemperaturbereich
werden auch Freigitter DMS verwendet (lediglich für Transport und Montage ist hier
ein provisorischer Träger vorhanden).


Halbleiter-Dehnungsmessstreifen

(Piezoresistive-DMS)

Hier besteht das Messgitter aus Halbleitermaterial, das sich auf einem
Trägermaterial    befindet.     Halbleiter-DMS    sind      hochempfindliche
Dehnungsmessstreifen, die überwiegend in Drucksensoren eingesetzt werden. Ihr
Zusammenhang zwischen Druck und Widerstandsänderung ist sehr linear.



Draht Dehnungsmessstreifen


Das Messgitter besteht aus einem flach gewickelten, eingebetteten, ca. 0,02mm
dünnen Dehndraht (Reckdraht). Draht-DMS werden für Messungen mit höchster
Genauigkeit verwendet.
Mit Dehnungsmessstreifen lassen sich sowohl statische Verformungen von
Materialien, als auch dynamische Verformungen (z.B. die Verdrehung (Torsion)
einer Antriebsachse bei Lastwechseln) messen.
Dehnungsmessstreifen können zur Messung von Materialbeanspruchungen oder
Kräften direkt am Messobjekt aufgeklebt werden. Dabei spielt der Kontaktkleber
eine sehr wichtige Rolle. Er muss den DMS fest mit dem zu messenden Objekt
verbinden, sollte idealerweise keine Wärmeausdehnung besitzen und darf bei
mechanischer Beanspruchung (z.B. biegen des Messobjekts) nicht brechen.
4. Kenndaten
Messgitter-Materialien:

   o   Konstantan 57Cu,43Ni k=2.05
   o   Karma 20Cr,73Ni, Fe-Al k=2.1
   o   Nichrome V 20Cr, 80Ni k=2.2
   o   Platin Wolfram 92Pt, 8W k=4.0

Typischer Widerstand

Kommerziell werden DMS mit den Widerstandswerten 120 Ohm, 350 Ohm,
600 Ohm bzw. 1000 Ohm angeboten.

Dehnung

Die Dehnung gibt die relative Längenänderung an.




Relative Widerstandsänderung

Bei konstantem Drahtvolumen 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.

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 10.000.000 Zyklen, 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 geeigneter DMS- und Kleberauswahl kann der Temperaturbereich 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).

In   vielen   Fällen  besteht   die   Möglichkeit,   durch   geeignete
Brückenschaltungen eine Temperaturkompensation zu erreichen. Erwärmen
sich die DMS in einer Halb- bzw. Vollbrücke gleichermaßen, so entsteht
dadurch keine Brückenspannung.

weitere Umgebungseinflüsse

   o Der Umgebungsdruck ist von Vakuum bis zu hohem Überdruck
     möglich.
   o Die magnetische Flussdichte kann bis über 2T ansteigen.
   o Abhängig von der Dosis wird auch Kernstrahlung verkraftet.

Genauigkeit

Die Toleranz weicht bei 20° C etwa zwischen 1% und 5% vom eigentlich zu
messenden Wert ab..




5. 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.



6. Applikation
Bei der Applikation der DMS muss sehr sorgfältig gearbeitet werden, damit
später die Werkstoffdehnung vollständig auf die DMS übertragen wird.

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 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.
7. Anwendungsgebiete

Wägetechnik, Kraft-, Druck-, Drehmomentmesstechnik, mechanische
Schwingungsanalyse, Auslenkungen


8. Vorteile

Aufgrund des weit verbreiteten Einsatzes von DMS in den letzten Jahrzehnten
besteht eine enorme Auswahl an verschiedenen Arten von DMS, mit verschiedene
Messgitter und verschiedenen Leitermaterialien; kostengünstig da hohe
Stückzahlen; kleine Abmessungen.


9. Nachteile

Das Aufbringen einer DMS ist sehr zeitintensiv. Lebensdauer ist beschränkt
10.000.000 Zyklen (Ermüdung des DMS-Materials); Empfindlich auf mechanische
Beanspruchung (überdehnen).Bei hoher Wechselbeanspruchung kann sich der
DMS vom Träger lösen.

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  • 1. Referat über DMS (Dehnungsmessstreifen) von Mirko Betz und Alexander Koch 1. Dehnungsmessstreifen 2. Physikalischer Effekt 3. DMS-Aufbau 4. Kenndaten 5. Verschiedene Formen von DMS 6. Applikation 7. Anwendungsgebiete 8. Vorteile 9. Nachteile
  • 2. 1. 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. 2. 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. 3. DMS Aufbau Dehnungsmessstreifen bestehen aus einer mit Metall beschichteten Trägerfolie, aus der die Form des Messgitters herausgeätzt ist. Dieser Streifen wird mit speziellen Klebern auf das Werkstück aufgebracht (appliziert), mit Anschlussdrähten versehen und meist mit einem Schutzlack abgedeckt.
  • 3. Folien-Dehnungsmessstreifen Sie sind die am häufigsten verwendeten Dehnungsmessstreifen. Bei Folien-DMS wird ein metallisches Messgitter in einem galvanischen Verfahren auf eine Trägerfolie aufgetragen. Durch dünne Kunststoffschichten auf beiden Seiten ist das Messgitter mechanisch geschützt. Für Messungen im Höchsttemperaturbereich werden auch Freigitter DMS verwendet (lediglich für Transport und Montage ist hier ein provisorischer Träger vorhanden). Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (Piezoresistive-DMS) Hier besteht das Messgitter aus Halbleitermaterial, das sich auf einem Trägermaterial befindet. Halbleiter-DMS sind hochempfindliche Dehnungsmessstreifen, die überwiegend in Drucksensoren eingesetzt werden. Ihr Zusammenhang zwischen Druck und Widerstandsänderung ist sehr linear. Draht Dehnungsmessstreifen Das Messgitter besteht aus einem flach gewickelten, eingebetteten, ca. 0,02mm dünnen Dehndraht (Reckdraht). Draht-DMS werden für Messungen mit höchster Genauigkeit verwendet. Mit Dehnungsmessstreifen lassen sich sowohl statische Verformungen von Materialien, als auch dynamische Verformungen (z.B. die Verdrehung (Torsion) einer Antriebsachse bei Lastwechseln) messen. Dehnungsmessstreifen können zur Messung von Materialbeanspruchungen oder Kräften direkt am Messobjekt aufgeklebt werden. Dabei spielt der Kontaktkleber eine sehr wichtige Rolle. Er muss den DMS fest mit dem zu messenden Objekt verbinden, sollte idealerweise keine Wärmeausdehnung besitzen und darf bei mechanischer Beanspruchung (z.B. biegen des Messobjekts) nicht brechen.
  • 4. 4. Kenndaten Messgitter-Materialien: o Konstantan 57Cu,43Ni k=2.05 o Karma 20Cr,73Ni, Fe-Al k=2.1 o Nichrome V 20Cr, 80Ni k=2.2 o Platin Wolfram 92Pt, 8W k=4.0 Typischer Widerstand Kommerziell werden DMS mit den Widerstandswerten 120 Ohm, 350 Ohm, 600 Ohm bzw. 1000 Ohm angeboten. Dehnung Die Dehnung gibt die relative Längenänderung an. Relative Widerstandsänderung Bei konstantem Drahtvolumen 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. 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 10.000.000 Zyklen, was von den meisten Messobjekten nicht erreicht wird.
  • 5. 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 geeigneter DMS- und Kleberauswahl kann der Temperaturbereich 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). In vielen Fällen besteht die Möglichkeit, durch geeignete Brückenschaltungen eine Temperaturkompensation zu erreichen. Erwärmen sich die DMS in einer Halb- bzw. Vollbrücke gleichermaßen, so entsteht dadurch keine Brückenspannung. weitere Umgebungseinflüsse o Der Umgebungsdruck ist von Vakuum bis zu hohem Überdruck möglich. o Die magnetische Flussdichte kann bis über 2T ansteigen. o Abhängig von der Dosis wird auch Kernstrahlung verkraftet. Genauigkeit Die Toleranz weicht bei 20° C etwa zwischen 1% und 5% vom eigentlich zu messenden Wert ab.. 5. 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.
  • 6. 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. 6. Applikation Bei der Applikation der DMS muss sehr sorgfältig gearbeitet werden, damit später die Werkstoffdehnung vollständig auf die DMS übertragen wird. 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 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.
  • 7. 7. Anwendungsgebiete Wägetechnik, Kraft-, Druck-, Drehmomentmesstechnik, mechanische Schwingungsanalyse, Auslenkungen 8. Vorteile Aufgrund des weit verbreiteten Einsatzes von DMS in den letzten Jahrzehnten besteht eine enorme Auswahl an verschiedenen Arten von DMS, mit verschiedene Messgitter und verschiedenen Leitermaterialien; kostengünstig da hohe Stückzahlen; kleine Abmessungen. 9. Nachteile Das Aufbringen einer DMS ist sehr zeitintensiv. Lebensdauer ist beschränkt 10.000.000 Zyklen (Ermüdung des DMS-Materials); Empfindlich auf mechanische Beanspruchung (überdehnen).Bei hoher Wechselbeanspruchung kann sich der DMS vom Träger lösen.