Dehnungsmessstreifen (DMS): Grundlagen, Arten und Anwendung

Zusammenfassung

Das Dokument erklärt die Funktionsweise von Dehnungsmessstreifen (DMS), Sensoren, deren elektrischer Widerstand sich bei mechanischer Verformung ändert. Es behandelt metallische und Halbleiter-DMS, die grundlegenden Formeln zur Widerstandsänderung sowie die Temperaturkompensation mit Brückenschaltungen. Abschließend werden die Platzierung und Montage der Sensoren an Bauteilen beschrieben.

Kernpunkte

DMS ändern ihren elektrischen Widerstand, wenn sie verformt werden, und dienen zur Messung von Dehnungen an Strukturen.
Die Widerstandsänderung ist proportional zur Dehnung: R = R₀ (1 + K • ε), wobei K der K-Faktor (Gauge Factor) ist.
Metallische DMS gibt es als Filament-Typ (feiner Draht auf Trägerfolie) und als Membran-Typ (Siebdruck bzw. Ätzverfahren).
Halbleiter-DMS sind wesentlich empfindlicher als metallische DMS, unterliegen aber einer Temperaturabhängigkeit.
Temperaturbedingte Widerstandsänderungen lassen sich durch Brückenschaltungen mit zwei DMS kompensieren, deren Temperatureffekte sich aufheben.
Für präzise Messungen sind die Wahl kritischer Messpunkte (z.B. maximale Spannung) und eine feste Verklebung entscheidend.

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Dehnungsmessstreifen (DMS): Grundlagen und Anwendung

Dehnungsmessstreifen (DMS) sind Sensoren, die eine Änderung ihres elektrischen Widerstandes zeigen, wenn sie einer mechanischen Verformung ausgesetzt werden. Sie werden verwendet, um mechanische Strukturen zu instrumentieren und Belastungstests durchzuführen. DMS liefern Informationen über auftretende Verformungen in Materialien unter mechanischer Belastung oder bei maximaler Spannung.

Ihre Funktionsweise basiert auf den elastischen Eigenschaften von Materialien und dem Hooke'schen Gesetz.

Arten von Dehnungsmessstreifen

a) Metallische Dehnungsmessstreifen

Der elektrische Widerstand metallischer DMS ist empfindlich gegenüber Änderungen in Länge und Durchmesser. Sie können als Filamente oder Membranen ausgeführt sein:

Filament-Typ: Besteht aus einem feinen Draht (meist einer Kupfer-Nickel- oder Chrom-Legierung), der mit einem starken Klebstoff auf eine isolierende Trägerfolie aufgebracht wird. Diese Einheit wird dann auf das zu messende Bauteil geklebt.
Membran-Typ (Siebdruck): Hierbei wird ein Layout aus leitfähigem Material (z.B. mittels Ätzverfahren) auf eine Trägerfolie gedruckt.

Die Widerstandsänderung ist proportional zur Dehnung. Die grundlegenden Beziehungen sind:

Die Widerstandsänderung (ΔR) ist proportional zur Längenänderung (ΔL):
ΔR / R = K • ΔL / L
Der Gesamtwiderstand (R) unter Dehnung (ε) ist:
R = R₀ (1 + K • ε)
wobei R₀ der Ausgangswiderstand und K der K-Faktor (Gauge Factor) ist.

b) Halbleiter-Dehnungsmessstreifen

Halbleiter-DMS sind wesentlich empfindlicher gegenüber Längenänderungen durch Verformung als metallische DMS. Da es sich um resistive Elemente handelt, eignen sie sich am besten für die Erfassung und Signalverarbeitung in Wheatstone-Brückenschaltungen, um konsistente Messergebnisse zu erzielen.

Da diese Art von Komponenten ohmsch ist, unterliegen sie einer Temperaturabhängigkeit. Daher werden spezielle Brückentopologien untersucht und eingesetzt, die temperaturbedingte Widerstandsänderungen kompensieren können. Eine gängige Methode zur Kompensation dieses Fehlers ist die Verwendung einer Brückenschaltung, bei der zwei Dehnungsmessstreifen so angeordnet sind, dass die temperaturbedingten Widerstandsänderungen sich gegenseitig aufheben, während die durch mechanische Belastung verursachten Änderungen präzise gemessen werden.

Platzierung und Montage von Dehnungsmessstreifen

Die korrekte Platzierung und Montage der Dehnungsmessstreifen an den Strukturen ist der wichtigste Faktor für präzise Messergebnisse:

Wahl der Messpunkte: Zuerst muss die richtige Wahl der kritischen Punkte auf der Materialoberfläche erfolgen, um die wichtigsten Dehnungen (z.B. an Stellen maximaler Spannung) zu erfassen.
Montage: Anschließend müssen die Dehnungsmessstreifen korrekt und fest mit der Struktur verbunden werden, üblicherweise durch Verkleben.

Häufige Fragen

Wie hängt die Widerstandsänderung eines DMS von der Dehnung ab?

Die Widerstandsänderung ist proportional zur Dehnung. Der Gesamtwiderstand unter Dehnung ergibt sich als R = R₀ (1 + K • ε), wobei R₀ der Ausgangswiderstand und K der K-Faktor ist.

Wie werden temperaturbedingte Fehler bei Halbleiter-DMS kompensiert?

Eine gängige Methode ist eine Brückenschaltung, bei der zwei DMS so angeordnet sind, dass sich die temperaturbedingten Widerstandsänderungen gegenseitig aufheben. Die durch Belastung verursachten Änderungen werden weiterhin präzise erfasst.

Was ist der Unterschied zwischen Filament-Typ und Membran-Typ?

Beim Filament-Typ wird ein feiner Draht auf eine isolierende Trägerfolie aufgebracht. Beim Membran-Typ wird ein leitfähiges Layout durch Siebdruck oder Ätzverfahren auf die Trägerfolie gebracht.