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Verstehen von Dehnungsmessstreifen und ihre Rolle bei der strukturellen Überwachung

Dehnungsmessstreifen sind Geräte, die zur Messung der Belastung eines Objekts verwendet werden und als kritische Sensoren bei der Überwachung des strukturellen Zustands, der Lastmessung und der Materialprüfung dienen. Diese Präzisionsinstrumente sind in zahlreichen Branchen zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden, von der Luft- und Raumfahrt bis hin zum Tiefbau, zur Automobilherstellung und zu medizinischen Geräten. Durch die Umwandlung mechanischer Verformungen in messbare elektrische Signale ermöglichen Dehnungsmessstreifen Ingenieuren, die strukturelle Integrität zu beurteilen, Fehler vorherzusagen und Designs für Sicherheit und Leistung zu optimieren.

Die gebräuchlichste Art von Dehnmessstreifen besteht aus einem isolierenden flexiblen Träger, der ein metallisches Folienmuster trägt. Wenn er an eine Struktur gebunden und mechanischer Belastung ausgesetzt wird, verformt sich der Messstreifen mit dem Material, was eine Änderung seines elektrischen Widerstands verursacht. Diese Widerstandsänderung kann, wenn auch nur geringfügig, genau gemessen und mit der Dehnung korreliert werden, die von der Struktur erfahren wird. Um zu verstehen, wie diese Widerstandsänderungen berechnet werden können, ist von grundlegender Bedeutung für eine genaue Strukturüberwachung und Spannungsanalyse.

Die Grundprinzipien der Strain Gauge Operation

Was ist Strain und warum ist es wichtig?

Dehnung ist eine dimensionslose Messung, die ein Verhältnis der Längenänderung zur ursprünglichen Länge eines Objekts darstellt. Wenn ein Material äußeren Kräften ausgesetzt ist, erfährt es Verformung - entweder Dehnung unter Spannung oder Kompression unter Druckbelastung. Eine positive Dehnung ist das Ergebnis der Dehnung eines Materials und eine negative Dehnung ist das Ergebnis der Kompression.

Dehnungsmessungen sind von wesentlicher Bedeutung, da sie direkte Einblicke in die Reaktion von Strukturen auf Belastungen bieten. Durch die zeitliche Überwachung von Dehnungen können Ingenieure übermäßige Spannungskonzentrationen erkennen, potenzielle Fehlerpunkte identifizieren und überprüfen, ob Strukturen innerhalb sicherer Konstruktionsgrenzen funktionieren. Diese Informationen sind besonders wertvoll für kritische Infrastrukturen wie Brücken, Gebäude, Flugzeuge und Industrieanlagen, bei denen ein Ausfall zu katastrophalen Folgen führen könnte.

Wie Strain Gauges Deformation erkennen

Der elektrische Widerstand des Drahtes, R, steht in Beziehung zu seiner Länge, L, und Fläche, A, mit R = ρL/A, wobei ρ Widerstand ist, eine elektrische Eigenschaft des Drahtmaterials. Wenn der Draht gedehnt wird, nimmt seine Länge zu, während seine Querschnittsfläche aufgrund von Poisson-Effekten abnimmt. Wie in der Gleichung zu sehen ist, führen beide Änderungen dazu, dass der Widerstand des Drahtes zunimmt. Umgekehrt führt die Kompression dazu, dass der Widerstand des Drahtes abnimmt.

Ein typischer Dehnungsmessstreifen ordnet einen langen, dünnen leitfähigen Streifen in einem Zick-Zack-Muster paralleler Linien an, wodurch die Länge des Sensorelements in einem kompakten Bereich maximiert wird, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors verbessert und es in engen Räumen verwendet werden kann. Das Zick-Zack-Muster hilft auch, die Dehnung gleichmäßig über das Sensorelement zu verteilen, was zu genaueren Messungen führt.

Die meisten handelsüblichen Dehnmessstreifen verwenden Widerstände aus Materialien, die einen starken piezoresistiven Effekt aufweisen. Der Widerstand dieser Materialien ändert sich mit der Dehnung, was erheblich zum Gesamtmessfaktor beiträgt. Dieser piezoresistive Effekt ist besonders bei Halbleiter-Dehnmessstreifen ausgeprägt, die eine viel höhere Empfindlichkeit als herkömmliche Metallfolien-Messstreifen erzielen können.

Der Gauge-Faktor: Quantifizierung der Sensitivität des Strain Gauge

Definition des Gauge-Faktors

Der Messwertfaktor (GF) oder Dehnungsfaktor eines Dehnungsmessstreifens ist das Verhältnis der relativen Änderung des elektrischen Widerstands R zur mechanischen Dehnung ε. Mathematisch wird der Messwertfaktor als GF = (ΔR/R) / (ΔL/L) = (ΔR/R) / ε definiert, wobei die Begriffe ΔR/R und ΔL/L prozentuale Änderungen des Widerstands bzw. der Drahtlänge darstellen.

Der Eichfaktor ist eine dimensionslose Zahl, die die Empfindlichkeit des Dehnmessstreifens beschreibt, ein höherer Eichfaktor zeigt eine größere Empfindlichkeit an, d.h. der Eichwert erzeugt bei gegebener Dehnung eine größere Widerstandsänderung, die für die Erkennung kleiner Verformungen in Strukturen und Materialien entscheidend ist.

Typische Messwertfaktoren

Bei herkömmlichen Metallfolienmessgeräten liegt der Messfaktor in der Regel etwas über 2. Genauer gesagt liegt der tatsächliche Faktor bei etwa 1,9 bis 2,2. Dieser relativ konsistente Wert für Metallmessgeräte macht sie für die meisten strukturellen Überwachungsanwendungen zuverlässig und vorhersehbar.

Für Messungen kleiner Dehnungsgrade werden häufig Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, sogenannte Piezoresistoren, gegenüber Folienmessstreifen bevorzugt. Ein Halbleiter-Messstreifen hat üblicherweise einen größeren Eichfaktor als ein Folien-Messstreifen, und zwar zeigten Halbleitermaterialien Eichfaktoren mehr als das 50-fache und eine Empfindlichkeit mehr als das 100-fache, die von Metalldraht- oder Folien-Dehnungsmessstreifen.

Der Kompromiss besteht darin, dass Halbleitermessgeräte tendenziell teurer, empfindlicher gegenüber Temperaturänderungen und anfälliger als Folienmessgeräte sind. Ingenieure müssen diese Faktoren bei der Auswahl des geeigneten Dehnungsmessstreifens für ihre spezifische Anwendung sorgfältig berücksichtigen.

Berechnung von Widerstandsänderungen in Dehnungsmessstreifen

Die fundamentale Widerstandsänderungsformel

Die Widerstandsänderung (ΔR) eines Dehnungsmessstreifens kann anhand der grundlegenden Beziehung zwischen dem Eichfaktor, dem Anfangswiderstand und der aufgebrachten Dehnung berechnet werden.

ΔR = R0 × GF × ε

Wobei:

  • ΔR ist die Änderung des Widerstands (in Ohm).
  • R0 ist der anfängliche Widerstand des Messgeräts (typischerweise 120Ω oder 350Ω).
  • GF ist der Eichfaktor (normalerweise um 2 für Metallfolien-Messgeräte).
  • ε ist die Dehnung, die auf das Messgerät aufgebracht wird (dimensionslos, oft in Mikrostämmen ausgedrückt).

Diese Gleichung bildet die Grundlage für alle Dehnungsmessstreifenmessungen und ermöglicht es Ingenieuren, die erwartete Widerstandsänderung für ein bestimmtes Dehnungsniveau vorherzusagen oder umgekehrt die Dehnung aus einer gemessenen Widerstandsänderung zu berechnen.

Praktisches Berechnungsbeispiel

Nehmen wir ein praktisches Beispiel: Ein Dehnmessstreifen aus Metallfolie mit einem Anfangswiderstand von 350 Ω und einem Messfaktor von 2,0 wird an einen Stahlbalken gebunden. Wenn der Balken belastet wird, erfährt er eine Dehnung von 1000 Mikrosträngen (1000 × 10−6 oder 0,001).

Mit der Widerstandsänderungsformel:

ΔR = 350 Ω × 2,0 × 0,001 = 0,7 Ω

Dies entspricht einer Widerstandsänderung von nur 0,7 von 350 Ohm, also etwa 0,2 %, was deutlich macht, warum spezialisierte Messschaltungen wie die Wheatstone-Brücke für genaue Dehnungsmessstreifenmessungen unerlässlich sind.

Mikrostränge verstehen

Dehnung wird oft in Mikrodehnung (με) ausgedrückt, wobei 1 Mikrodehnung 1 × 10−6 Dehnung entspricht. Diese Einheit ist praktisch, da typische strukturelle Dehnungen im Bereich von Hunderten bis Tausenden von Mikrodehnungen liegen. Zum Beispiel stellt eine Dehnung von 1000 με eine Verformung von 0,1% dar, was bedeutet, dass ein 1-Meter-langes Element um 1 Millimeter verlängert oder komprimiert würde.

Beim Arbeiten mit Mikrodehnungswerten kann die Widerstandsänderungsformel wie folgt umgeschrieben werden:

ΔR = R0 × GF × (με / 1,000,000)

Diese Formulierung erleichtert die Arbeit mit den typischen Dehnungswerten, die bei strukturellen Überwachungsanwendungen auftreten.

Die Wheatstone Bridge Circuit für die Dehnungsmessung

Warum Wheatstone Brücken wichtig sind

Diese Widerstandsänderung, die üblicherweise mit einer Wheatstone-Brücke gemessen wird, hängt mit der Dehnung durch die Größe zusammen, die als Eichfaktor bekannt ist. Die Wheatstone-Brückenschaltung ist bei weitem die beliebteste Wahl, um dies zu erreichen. Sie wird auch als Viertelbrückenschaltung bezeichnet, weil die Eichung selbst einer von vier Widerständen in der Schaltung ist. Das Merkmal dieser Schaltung, das sie so beliebt macht, ist ihre Fähigkeit, eine kleine Widerstandsänderung in eine messbare Spannungsdifferenz umzuwandeln.

Die Wheatstone-Brückenschaltung verstärkt winzige Widerstandsänderungen bei Dehnungsmessstreifen und liefert hochauflösende Spannungsausgänge, die für eine genaue Kraft-, Druck- und Strukturüberwachung entscheidend sind.

Konfiguration der Viertelbrücke

Wenn man eine einzelne Achse misst, wird ein Dehnungsmessstreifen für eine Viertelbrücke verwendet. Die Viertelbrücke bezieht sich auf die Tatsache, dass nur einer der vier Widerstände variabel (Rx) und die anderen drei Widerstände fest sind. Dies ist die einfachste und häufigste Konfiguration für grundlegende Dehnungsmessungen.

Bei einer Viertelbrückenschaltung ist die Ausgangsspannung proportional zur Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens. Die Wheatstone-Brückenschaltung erreicht das gewünschte Ziel, eine Spannung Vmeas zu erzeugen, die proportional zu ΔR und damit proportional zur Dehnung ist. Die Beziehung kann ausgedrückt werden als:

Vmeas = Vin × (1/4RG,o) × ΔRG

Dabei ist Vin die an die Brücke angelegte Erregerspannung und RG,o der anfängliche Messwiderstand.

Umwandlung von Spannung in Dehnung

Die Dehnungslösung ergibt ε = (4/GF) × (Vmeas/Vin): Diese Gleichung ermöglicht es Ingenieuren, Dehnungen direkt aus der gemessenen Ausgangsspannung der Wheatstone-Brücke zu berechnen, sofern sie den Eichfaktor und die Erregerspannung kennen.

In der Praxis variiert Vin von 2 Volt bis 10 Volt. Dieser Bereich ist ein Kompromiss zwischen dem Wunsch, die Anregungsspannung zu maximieren, um die Messempfindlichkeit zu maximieren, und dem konkurrierenden Wunsch, die Wärmeentwicklung im System zu minimieren. Höhere Anregungsspannungen erzeugen größere Ausgangssignale, die leichter zu messen sind, aber auch mehr Wärme im Dehnungsmessstreifen erzeugen, was die Messgenauigkeit und die Langlebigkeit des Messgeräts beeinflussen kann.

Erweiterte Brückenkonfigurationen

Während Viertelbrückenkonfigurationen üblich sind, können komplexere Anwendungen Halbbrücken- oder Vollbrückenkonfigurationen verwenden, wobei diese Anordnungen mehrere aktive Dehnungsmessstreifen in der Brückenschaltung verwenden, was mehrere Vorteile bieten kann:

  • Erhöhte Empfindlichkeit: Mehrere aktive Messgeräte erzeugen größere Ausgangssignale
  • Temperaturkompensation: Messgeräte, die die gleichen Temperaturänderungen erfahren, aber gegensätzliche Belastungen können thermische Effekte ausgleichen
  • Biegekompensation: Gaugen auf gegenüberliegenden Seiten eines Balkens können Biegebelastung von axialer Belastung isolieren
  • Verbesserte Linearität: Vollbrückenkonfigurationen bieten eine bessere Linearität über größere Dehnungsbereiche hinweg.

Moderne Wägezellen kombinieren mehrere Dehnungsmessstreifen, um die Messgenauigkeit zu verbessern, was sie zur bevorzugten Lösung für hochgenaue Kraft- und Gewichtsbewertungen in industriellen Anwendungen macht.

Arten von Dehnungsmessstreifen für verschiedene Anwendungen

Messstreifen für Metallfolienstränge

Allgemeine Folienlehren bestehen aus "fortgeschrittenen Legierungen", einer Legierung mit 54% Cu und 46% Ni und sind mehrere Mikrometer dick. Diese konstanten Legierungslehren sind aufgrund ihrer hervorragenden Balance der Leistungseigenschaften, einschließlich guter Eichfaktorstabilität, niedriger Temperaturkoeffizient und angemessener Kosten, die am häufigsten verwendete Art.

Klebefolienstäbchen haben ein dünnes metallisches Folienmuster, das auf der Prüfoberfläche angebracht ist. Sie werden aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und einfachen Handhabung am häufigsten verwendet. Folienmessgeräte haben typischerweise eine aktive Fläche von etwa 2-10 mm2, wodurch sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind.

Halbleiter-Streckmessstreifen

Wissenschaftler der Bell Laboratories entdeckten die piezoresistiven Eigenschaften von Germanium und Silizium. Obwohl die Materialien eine erhebliche Nichtlinearität und Temperaturempfindlichkeit aufwiesen, hatten sie Messfaktoren, die mehr als fünfzigmal und die Empfindlichkeit mehr als 100mal die von Dehnungsmessstreifen aus Metalldraht oder -folien waren.

Halbleiter-Dehnmessstreifen hängen von den piezoresistiven Wirkungen von Silizium oder Germanium ab und messen die Widerstandsänderung mit Spannung im Gegensatz zu Dehnung. Dieser grundlegende Unterschied im Funktionsprinzip verleiht ihnen ihre außergewöhnliche Empfindlichkeit, so dass sie sich ideal für Anwendungen eignen, die die Erkennung extrem kleiner Verformungen erfordern.

Dehnungsmessstreifen-Rosetten

Einige Dehnungsmessstreifen, die als Dehnungsmessstreifen-Rosetten bezeichnet werden, verwenden zusätzliche Sensoren, um Dehnungsmessungen in mehrere Richtungen durchzuführen. Die Rosetten werden verwendet, um den vollständigen Dehnungszustand eines Objekts an der Oberfläche zu bestimmen. Der vollständige Dehnungszustand besteht aus normalen, Scher- und Hauptdehnungen.

Bei einer biaxialen Rosette werden zwei Sensoren verwendet, bei denen die Dehnmessstreifen senkrecht zueinander angeordnet sind. Bei einer dreiachsigen Rosette sind drei Meßgrade erforderlich, die je nach den erforderlichen Messungen bei 0°-45°-90° oder 0°-60°-120° zueinander angebracht sind.

Rosettenkonfigurationen sind unerlässlich, wenn die Richtung der Hauptspannung unbekannt ist oder wenn eine vollständige Spannungsanalyse erforderlich ist, die üblicherweise in der komplexen Strukturanalyse, der Eigenspannungsmessung und der experimentellen Spannungsanalyse verwendet wird.

Spezialisierte Strain Gauge Typen

Übliche Typen sind Linear-, Membran-, Rosette-, Torsions- und zweiparallele Messgeräte, die jeweils für bestimmte Belastungsrichtungen und Materialien geeignet sind. Jede Konfiguration ist für bestimmte Messszenarien optimiert:

  • Lineare Messgeräte: Messen Sie Dehnungen entlang einer einzigen Achse, ideal, wenn die Spannungsrichtung bekannt ist
  • Dual parallele Messgeräte: Verwenden Sie zwei parallel zueinander ausgerichtete Sensorgitter. Diese Konfiguration bietet eine präzise Messung der Biegedehnung, indem Sie die Spannung auf einer Seite eines Bauteils mit der Kompression auf der anderen Seite vergleichen.
  • Torsion Messgeräte: Speziell entwickelt, um Scherdehnung in rotierenden Wellen und Torsionsanwendungen zu messen
  • Diaphremometer: Konfiguriert für Druckmessanwendungen

Faktoren, die die Genauigkeit der Dehnungsmessstreifen beeinflussen

Temperatureffekte und Kompensation

In realen Anwendungen beeinflussen Temperatur, Materialeigenschaften, der Klebstoff, der das Messgerät an die Oberfläche bindet, und die Stabilität des Metalls den festgestellten Widerstand. Die Temperatur ist vielleicht die wichtigste Fehlerquelle bei Dehnmessstreifenmessungen, da sie sowohl den Messwiderstand als auch die thermische Ausdehnung des Prüfkörpers beeinflusst.

Die Hersteller stellen Dehnmessgeräte mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten her, die auf gängige Strukturmaterialien wie Stahl, Aluminium und Beton abgestimmt sind. Die Auswahl des geeigneten Messgeräts für das Testmaterial ist der erste Schritt zur Minimierung von temperaturbedingten Fehlern.

Zusätzliche Temperaturkompensationstechniken umfassen:

  • Verwendung von Dummy-Messgeräten in der Wheatstone-Brücke, die die gleiche Temperatur, aber keine mechanische Belastung aufweisen
  • Verwendung von Halbbrücken- oder Vollbrückenanordnungen mit temperaturkompensierenden Messgeräten
  • Anwendung von Softwarekompensation auf Basis von Temperaturmessungen von separaten Sensoren
  • Verwendung von selbsttemperaturkompensierten (STC) Messgeräten, die für bestimmte Materialien entwickelt wurden

Genauigkeit des Messfaktors

Da der Eichfaktor eines Dehnungsaufzeichnungsgerätes auf 2,00 festgelegt ist, führt eine Differenz des Eichfaktors von 0,1 zu einem Fehler von etwa 5 %, was die Bedeutung der Verwendung des vom Hersteller angegebenen tatsächlichen Eichfaktors und nicht der Annahme eines Nennwerts von 2,0 unterstreicht.

Die Korrektur mit der Skalierungsfunktion des Aufzeichnungsgeräts erfolgt unter Verwendung des im Feld des Dehnungsmessstreifens beschriebenen Messfaktors K. Moderne Datenerfassungssysteme ermöglichen es dem Benutzer, den spezifischen Messfaktor für jeden Kanal einzugeben, wodurch genaue Dehnungsberechnungen gewährleistet sind.

Anlagenqualität

Die Befestigung des Messgeräts am Objekt erfolgt durch einen geeigneten Klebstoff, wie Cyanacrylat, wobei eine ordnungsgemäße Haftung entscheidend ist, da Luftspalte oder Flexibilität in der Verbindungsschicht zu Messfehlern führen, die als Kriech- oder Hysterese bezeichnet werden.

Dehnungsmessstreifen werden mit einem speziellen Klebstoff auf dem Substrat angebracht. Die Art des Klebstoffs hängt von der erforderlichen Lebensdauer des Messsystems ab. Für Kurzzeitmessungen (bis zu einigen Wochen) ist Cyanacrylatkleber geeignet, für langlebige Installationen ist Epoxidkleber erforderlich. Normalerweise erfordert Epoxidkleber eine Hochtemperaturhärtung (bei etwa 80-100 °C).

Die Vorbereitung der Oberfläche, auf der der Dehnungsmessstreifen geklebt werden soll, ist von größter Bedeutung.

  • Entfetten der Oberfläche, um Öle und Verunreinigungen zu entfernen
  • Abrieb der Oberfläche, um eine geeignete Bindungstextur zu erzeugen
  • Anwenden von Layoutlinien, um eine korrekte Ausrichtung der Spurweite zu gewährleisten
  • Neutralisierung der Oberflächenchemie zur Optimierung der Klebeverbindung
  • Konditionierung der Oberfläche unmittelbar vor der Aufbringung der Prüfvorrichtung

Ausrichtung und Orientierung

Eine Abweichung von 5° zwischen Dehnungs- und Dehnungsmessstreifenrichtungen führt zu einem Fehler von etwa 1 %. Stimmt die Befestigungsrichtung nicht mit den geschilderten Linien überein, so ist eine Skalierung und Korrektur mit dem Poissonschen Verhältnis (v) durchzuführen. Eine genaue Ausrichtung des Dehnungsmessstreifens auf die Hauptspannungsrichtung ist für genaue Messungen, insbesondere bei einachsigen Belastungsanwendungen, unerlässlich.

Praktische Anwendungen im Structural Monitoring

Brückenüberwachung und Infrastruktursicherheit

Die Instrumentierung von Brücken erfolgt zur Überprüfung der Konstruktionsparameter, zur Bewertung der Leistung neuer beim Brückenbau eingesetzter Technologien, zur Überprüfung und Kontrolle des Bauprozesses und zur anschließenden Leistungsüberwachung.

Brücken - Stahlträger, Betonfüße, Kabel, Zwickelplatten und Traversen müssen in regelmäßigen Abständen geprüft werden. Dynamische Belastungsprüfungen werden mit Fahrzeugen durchgeführt, die die Brücke benutzen. Bewegliche Elemente (wie Zugbrücken) werden auf Beanspruchung und Dehnung beim Heben und Senken geprüft.

Der tragische Einsturz der I-35W-Brücke in Minneapolis im Jahr 2007 unterstreicht die entscheidende Bedeutung einer kontinuierlichen strukturellen Überwachung. Da es keine ständige Überwachung durch Dehnungsmessstreifen, keine wesentlichen Reparaturen oder Ersatzarbeiten gab, brach die Brücke 2007 unweigerlich zusammen und tötete 13 Menschen. Dieser Vorfall zeigte die Grenzen der regelmäßigen Sichtprüfungen und den Wert von Echtzeit-Dehnungsüberwachungssystemen.

Luft- und Raumfahrtanwendungen

In der Luftfahrt sind Dehnungsmessstreifen der Standardansatz zur Messung der strukturellen Belastung und zur Berechnung der Flügelauslenkung. Dehnungsmessstreifen werden an mehreren Stellen des Luftfahrzeugs befestigt. Dehnungsmessstreifen werden an den tragenden Bauteilen der Struktur befestigt, um Spannungen entlang der Lastpfade für die Auslenkung oder Verformung der Flügel in einem Flugzeug zu messen.

Strenge Prüfungen sind während der Entwicklung und Zertifizierung erforderlich. Auch Luftfahrzeuge werden in regelmäßigen Abständen getestet, um sicherzustellen, dass sie baulich einwandfrei sind. Dehnungsmessstreifen spielen eine entscheidende Rolle sowohl bei der Erstprüfung der Zertifizierung als auch bei der laufenden Überwachung der Lufttüchtigkeit und tragen zur Gewährleistung der Sicherheit der Passagiere während der gesamten Lebensdauer eines Luftfahrzeugs bei.

Bau- und Tiefbaustrukturen

Dehnungsmessstreifen können an der Außenseite von Betonwänden und -füßen angebracht werden, sie können aber auch in diese Strukturen eingebettet werden, und die Drähte werden durch spezielle Rohre herausgeführt, wobei Dehnungen im Betoninneren in Echtzeit durch den Anschluss eines DAQ-Systems nach draußen überwacht werden können.

Dehnungs-, Belastungs-, Last- und Kraftmessungen werden üblicherweise an kritischen tragenden Strukturen durchgeführt, einschließlich: Gebäude, insbesondere öffentliche Gebäude, Krankenhäuser, Wolkenkratzer usw. Straßen, insbesondere stark frequentierte Straßen, Autobahnen usw. Diese Messungen helfen Ingenieuren, zu überprüfen, ob Strukturen wie geplant funktionieren und jegliche Verschlechterung oder unerwartete Belastungszustände erkennen.

Automobil- und Industrieanwendungen

Im Automobilbereich messen Dehnmessstreifen die Belastung und Belastung verschiedener Fahrzeugkomponenten, vom Fahrwerk bis hin zu Aufhängungssystemen. Dies hilft, sicherere und effizientere Fahrzeuge zu entwerfen. Wird bei Crashtests, Dauerhaltbarkeitsprüfungen und Echtzeit-Überwachung der Fahrzeugdynamik eingesetzt.

Viele Objekte und Materialien in industriellen Anwendungen haben eine endliche Lebensdauer. Um ihre Lebensdauer und Betriebskosten zu verbessern, werden prädiktive Wartungsprinzipien verwendet. Dehnungsmessstreifen können verwendet werden, um die Dehnung als Indikator für Ermüdung in Materialien zu überwachen, damit Softwaresysteme vorhersagen können, wann bestimmte Komponenten ausgetauscht oder gewartet werden müssen.

Lastzellen und Kraftwandler

Dehnungsmessstreifen sind wichtige Sensorelemente in Wägezellen, Drehmomentwandlern und Drucksensoren, die bei Anwendung auf eine verformbare Struktur (wie einen Balken oder eine Blende) mechanische Eingänge - Kraft, Gewicht oder Drehmoment - in ein elektrisches Signal umwandeln.

Dehnmessstreifen in Wägezellen erkennen kleinste Widerstandsänderungen aufgrund mechanischer Belastungen. Diese Geräte sind in industriellen Wägesystemen allgegenwärtig, von LKW-Skalen und Siloüberwachung bis hin zu Präzisionslaborwaagen. Die Genauigkeit moderner Wägezellen, die oft besser als 0,01 % des vollen Maßstabs sind, hängt entscheidend von der genauen Berechnung und Messung von DMS-Widerstandsänderungen ab.

Erweiterte Überlegungen für genaue Messungen

Auswahl der geeigneten Messlänge

Je nach Bedarf kann ein Dehnungsmessstreifen mit kurzer Länge für die lokale Dehnungsmessung und ein Dehnungsmessstreifen mit langer Länge für die durchschnittliche Dehnungsmessung verwendet werden.

  • Materialhomogenität: Um inhomogenes Material wie Beton aus Zement und Zuschlagstoff zu messen, wird ein Dehnmessstreifen mit einer Länge von etwa dem 3-fachen der Zuschlagstoffkorngröße verwendet.
  • Stress-Gradienten: Kürzere Messwerte sind erforderlich, wenn sich die Spannung über kleine Entfernungen schnell ändert
  • Dynamisches Ansprechen: Das Ansprechen eines Dehnungsmessstreifens hängt von der Länge des Messstreifens und der elastischen Welle (Längswelle) des zu messenden Materials ab.
  • Verfügbarer Raum: Physische Einschränkungen können die Größe der Spurweite in begrenzten Bereichen begrenzen

Umweltschutz

Wenn die den Dehnmessstreifen mit dem Signalaufbereiter verbindenden Drähte nicht gegen Feuchtigkeit geschützt sind, wie z.B. blanker Draht, kann es zu Korrosion kommen, die zu einem parasitären Widerstand führt, was dazu führen kann, dass Ströme zwischen den Drähten und dem Substrat, auf das der Dehnmessstreifen geklebt ist, oder direkt zwischen den beiden Drähten fließen können, was einen Fehler einleitet, der mit dem durch den Dehnmessstreifen fließenden Strom konkurriert.

Um diesen Fehler zu vermeiden, genügt es, die Dehnmessstreifendrähte mit isolierendem Email zu schützen (z. B. Epoxyd- oder Polyurethan-Drähte), Dehnmessstreifen mit ungeschützten Drähten dürfen nur in trockener Laborumgebung, nicht jedoch in einer industriellen verwendet werden.

Für Langzeit-Außenanlagen ist zusätzlicher Schutz unerlässlich. Stellen Sie sicher, dass Sie eine geeignete proaktive Beschichtung für die Dehnungsmessstreifen-Position auswählen. Diese Schutzbeschichtung muss auch auf der Basis mental und nicht auf der Farbe haften.

  • Wachsbasierte Beschichtungen für den kurzfristigen Laboreinsatz
  • Polyurethanbeschichtungen für mäßigen Umweltschutz
  • Butylkautschukmischungen für Außen- und Luftfeuchtigkeitsbereiche
  • Neopren oder Silikonkautschuk für raue chemische Umgebungen
  • Metallgehäuse für extreme Bedingungen

Signalkonditionierung und Datenerfassung

Moderne Dehnungsmesssysteme erfordern eine ausgeklügelte Signalkonditionierung, um die kleinen Spannungsausgänge von Wheatstone-Brücken in nutzbare Daten umzuwandeln.

  • Brückenvervollständigung: Bereitstellung der zusätzlichen Widerstände, die für die Vervollständigung von Viertelbrücken- oder Halbbrückenkonfigurationen erforderlich sind
  • Erregungsspannungsregelung: Versorgung der Brücke mit stabiler, präziser Erregerspannung
  • Verstärkung: Die Millivolt-Brückenausgänge auf Volt-Level-Signale steigern
  • Filterung: Entfernen von elektrischen Störgeräuschen und unerwünschten Frequenzkomponenten
  • Analog-zu-digitale Umwandlung: Analoge Signale in digitale Daten für die Computerverarbeitung umwandeln
  • Kalibrierung und Skalierung: Anwenden von Messfaktoren und Kalibrierkoeffizienten zur Umwandlung von Spannungen in technische Einheiten

In der modernen intelligenten Fertigung können Dehnmessstreifen in industrielle IoT-Systeme (IIoT) integriert werden, um eine Zustandsüberwachung in Echtzeit zu ermöglichen. Wenn sie mit Signalkonditionierern und drahtlosen Sendern verbunden sind, bieten sie kontinuierliches Feedback zu Maschinenzustand, Vibrationen und Belastung - und unterstützen so die vorausschauende Wartung und reduzieren die Ausfallzeiten.

Aufkommende Technologien und zukünftige Entwicklungen

Nanopartikelbasierte Stammmessstreifen

Dehnmessstreifen auf Nanopartikelbasis sind eine neue, vielversprechende Technologie. Diese resistiven Sensoren, deren aktiver Bereich durch eine Anordnung leitfähiger Nanopartikel wie Gold oder Kohlenstoff hergestellt wird, kombinieren aufgrund ihrer hohen Impedanz einen hohen Messwertfaktor, einen großen Verformungsbereich und einen geringen elektrischen Verbrauch.

Diese fortschrittlichen Sensoren bieten gegenüber herkömmlichen Dehnungsmessstreifen mehrere Vorteile, darunter eine höhere Empfindlichkeit, eine größere Flexibilität und die Möglichkeit, größere Dehnungen ohne Schäden zu messen.

Messung der optischen Belastung

newLight® optische Dehnmessstreifen bieten breite Dehnungsbereiche, Ermüdungsbeständigkeit, einfache Installation und Haltbarkeit auch unter rauen Bedingungen wie Feuchtigkeit, Rost und Salz. Faseroptik-Dehnungssensoren, einschließlich Fiber Bragg Grating (FBG) Sensoren, bieten Immunität gegen elektromagnetische Störungen und die Fähigkeit, viele Sensoren auf einer einzigen Faser zu multiplexen, wodurch sie ideal für große strukturelle Überwachungsprojekte sind.

Drahtlose und Fernüberwachung

Drahtlose Dehnmessstreifensysteme machen eine umfangreiche Verkabelung überflüssig, wodurch die Installationskosten gesenkt und die Überwachung an Orten ermöglicht wird, an denen kabelgebundene Verbindungen nicht praktikabel sind. Einige Brücken sind für die drahtlose Telemetrie eingerichtet, die die Testergebnisse über Ethernet überträgt. Mit Batterien betriebene drahtlose Knoten können jahrelang arbeiten und Dehnungsdaten an zentrale Überwachungsstationen zur Echtzeitanalyse und Langzeittrends übertragen.

Best Practices für die Umsetzung von Strain Gauge

Planung und Gestaltung

Erfolgreiche Dehnungsmessstreifen-Installationen beginnen mit sorgfältiger Planung:

  • Durchführung einer Stressanalyse zur Identifizierung kritischer Messstellen
  • Wählen Sie geeignete Messgerätetypen, Größen und Konfigurationen für die Anwendung aus
  • Wählen Sie Messgeräte mit Wärmeausdehnungskoeffizienten, die auf das Testmaterial abgestimmt sind
  • Umweltschutzplan entsprechend den Einbaubedingungen
  • Entwurf der Messsystemarchitektur, einschließlich Brückenkonfigurationen und Signalkonditionierung
  • Festlegung von Kalibrier- und Prüfverfahren

Installationsverfahren

Einer der heute am häufigsten verwendeten SHM-Sensoren ist der Dehnmessstreifen für Folien. Das kleinste Instrument vor Ort, der Dehnmessstreifen für Folien in verklebbarer und schweißbarer Form, ist der Eckpfeiler vieler SHM-Systeme. Die richtige Installation ist entscheidend für genaue und zuverlässige Messungen:

  • Befolgen Sie die Verfahren der Oberflächenvorbereitung des Herstellers sorgfältig
  • Richtige Ausrichtung des Messgeräts auf die Hauptbelastungsrichtungen
  • Kleber gemäß den Spezifikationen auftragen, Luftblasen oder Hohlräume vermeiden
  • Ermöglichen Sie eine ausreichende Aushärtungszeit, bevor Sie Belastungen oder Schutzschichten auftragen
  • Verifizieren der Installationsqualität durch Widerstandsprüfungen und Erstmessungen
  • Anwendbarer Umweltschutz für die Betriebsbedingungen
  • Bei temporären Installationen sollten Kabel in Abständen von höchstens fünf Fuß betrieben werden.

Verifikation und Kalibrierung

Nach der Installation ist der ordnungsgemäße Betrieb zu überprüfen, bevor Sie sich auf die Messungen verlassen:

  • Die Leitungsdrähte eines Dehnungsmessstreifens sind extrem dünn und können bei Krafteinwirkung während der Befestigung gebrochen werden. Der Widerstand zwischen den beiden Leitungen des Messstreifens wird mit einem Prüfgerät gemessen. Sie werden nicht gebrochen, wenn 120 Ω angezeigt werden.
  • Überprüfen Sie Brückenbalance und Null-Offset vor dem Aufbringen von Lasten
  • Anwenden bekannter Kalibrierlasten zur Überprüfung der Systemgenauigkeit
  • Vergleichen Sie Messungen mit theoretischen Vorhersagen oder Finite-Elemente-Analysen
  • Dokument Baseline Lesungen für zukünftige Referenz
  • Festlegung von Datenqualitätsprüfungen und Alarmschwellen für Überwachungsanwendungen

Fazit: Die entscheidende Rolle von genauen Widerstandsberechnungen

Das Verständnis, wie Widerstandsänderungen in Dehnmessstreifen berechnet werden können, ist von grundlegender Bedeutung für eine erfolgreiche strukturelle Überwachung und Materialprüfung. Die Beziehung ΔR = R0 × GF × ε bildet die Grundlage für die Umwandlung mechanischer Verformungen in messbare elektrische Signale, die es Ingenieuren ermöglichen, die strukturelle Integrität zu beurteilen, Entwürfe zu validieren und Fehler vorherzusagen, bevor sie auftreten.

Dehnungsmessstreifen sind äußerst vielseitige geotechnische Werkzeuge mit sehr breiten Anwendungen, die zur Gewährleistung von Sicherheit und Produktivität beitragen. Sie sind besonders für ihre Präzision, einfache Installation, niedrige Kosten, lange Lebensdauer und die Notwendigkeit einer sehr begrenzten Wartung geschätzt.

Von der Überwachung der Brückensicherheit und der strukturellen Integrität von Flugzeugen bis hin zu Präzisionswägesystemen und der Förderung der Materialforschung sind Dehnmessstreifen zu unverzichtbaren Werkzeugen in unzähligen Branchen geworden. Die Dehnmessstreifentechnologie hat sich von frühen Wickeldrahtmodellen zu modernen Lösungen entwickelt, die Photolithographie, chemisches Ätzen und Schaltungsdruck verwenden und hochempfindliche, zuverlässige Sensoren ermöglichen, die in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilsektor, im Tiefbau und in der Automatisierung eingesetzt werden.

Der Erfolg bei Messungen von Dehnmessstreifen erfordert die Aufmerksamkeit auf zahlreiche Faktoren, die über die grundlegende Widerstandsberechnungsformel hinausgehen. Temperaturkompensation, angemessene Installationstechniken, geeignete Messgerätauswahl, Umweltschutz und ausgeklügelte Signalkonditionierung spielen eine entscheidende Rolle bei der Erzielung genauer, zuverlässiger Ergebnisse. Durch die Beherrschung dieser Prinzipien und die Einhaltung bewährter Verfahren können Ingenieure das volle Potenzial der Dehnmessstreifentechnologie nutzen, um sicherere Strukturen, zuverlässigere Produkte und effizientere Systeme zu schaffen.

Mit fortschreitender Technologie versprechen neue Entwicklungen bei Sensoren auf Nanopartikelbasis, optischen Messtechniken und drahtlosen Überwachungssystemen, die Fähigkeiten und Anwendungen der Dehnungsmessung noch weiter zu erweitern, aber das Grundprinzip der Berechnung von Widerstandsänderungen auf der Grundlage des Eichfaktors und der angewandten Dehnung wird weiterhin im Mittelpunkt dieser wichtigen Messtechnologie stehen.

Für Ingenieure und Techniker, die mit strukturellen Überwachungssystemen arbeiten, bildet ein gründliches Verständnis der DMS-Widerstandsberechnungen die Grundlage für die Implementierung effektiver Messlösungen, die die öffentliche Sicherheit schützen, Designs optimieren und unser Verständnis darüber verbessern, wie sich Materialien und Strukturen unter realen Bedingungen verhalten. Um mehr über Dehnungsmesstechniken und -anwendungen zu erfahren, besuchen Sie Ressourcen wie den HBK Strain Gauge Guide oder erkunden Sie detaillierte technische Informationen unter Continuum Mechanics.