Dehnungsmessstreifen sind Geräte, die die gemessene elastische Verformung eines Festkörpers in ein elektrisches Signal umwandeln. Dies geschieht aufgrund einer Änderung des Widerstands des Sensorleiters, wenn sich seine geometrischen Abmessungen durch Zug oder Druck ändern.
Dehnungsmessstreifen: Funktionsprinzip
Das Hauptelement des Geräts ist ein Dehnungsmessstreifen, der auf einer elastischen Struktur montiert ist. Dehnungsmessstreifen werden kalibriert, indem sie schrittweise mit einer gegebenen ansteigenden Kraft belastet werden und die Größe des elektrischen Widerstands gemessen wird. Durch Ändern können dann die Werte der aufgebrachten unbekannten Last und der dazu proportionalen Dehnung bestimmt werden.
Je nach Art der Sensoren können Sie Folgendes messen:
- Stärke;
- Druck;
- bewegen;
- Drehmoment;
- Beschleunigung.
Auch bei dem komplexesten Ladeschema des Aufbaus geht die Aktion weiterDer Dehnungsmessstreifen wird darauf reduziert, sein Gitter entlang eines langen Abschnitts, der als Basis bezeichnet wird, zu dehnen oder zu stauchen.
Welche Dehnungsmessstreifen werden verwendet
Die gebräuchlichsten Arten von Dehnungsmessstreifen mit einer Änderung des aktiven Widerstands bei mechanischer Einwirkung - Dehnungsmessstreifen.
Dehnmessstreifen
Das einfachste Beispiel ist ein gerades Stück dünner Draht, das an dem zu untersuchenden Teil befestigt wird. Sein Widerstand ist: r=pL/s, wobei p der spezifische Widerstand, L die Länge, s die Querschnittsfläche ist.
Zusammen mit dem Bauteil wird der verklebte Draht elastisch verformt. Gleichzeitig ändern sich seine geometrischen Abmessungen. Bei Stauchung vergrößert sich der Leiterquerschnitt, bei Dehnung verkleinert er sich. Daher ändert die Widerstandsänderung das Vorzeichen je nach Verformungsrichtung. Die Kennlinie ist linear.
Die geringe Empfindlichkeit des Dehnungsmessstreifens führte dazu, dass der Draht in einem kleinen Messbereich verlängert werden musste. Dazu wird es in Form einer Drahtspirale (Gitter) hergestellt, die beidseitig mit Isolierplatten aus einer Lack- oder Papierfolie verklebt ist. Zum Anschluss an den Stromkreis ist das Gerät mit zwei Kupferanschlussdrähten ausgestattet. Sie werden an die Enden des gewickelten Drahts geschweißt oder gelötet und sind stark genug, um an einen Stromkreis angeschlossen zu werden. Der Dehnungsmessstreifen wird mit Klebstoff auf dem elastischen Element oder dem zu prüfenden Teil befestigt.
Drahtwägezellen haben folgende Vorteile:
- einfaches Design;
- lineare Abhängigkeit von Dehnung;
- kleine Größe;
- niedriger Preis.
Nachteile sind geringe Empfindlichkeit, Einfluss der Umgebungstemperatur, Notwendigkeit des Schutzes vor Feuchtigkeit, Einsatz nur im Bereich elastischer Verformungen.
Der Draht verformt sich, wenn die Haftkraft des Klebstoffs die zum Dehnen erforderliche Kraft stark übersteigt. Das Verhältnis der Klebefläche zur Querschnittsfläche sollte 160 bis 200 betragen, was seinem Durchmesser von 0,02–0,025 mm entspricht. Er kann bis auf 0,05 mm erhöht werden. Dann wird im normalen Betrieb des Dehnungsmessstreifens die Klebeschicht nicht zerstört. Außerdem funktioniert der Sensor gut unter Druck, da die Drahtlitzen fest mit dem Klebefilm und dem Teil verbunden sind.
Folienwägezellen
Die Parameter und das Funktionsprinzip der Folien-Wägezelle sind die gleichen wie bei den Draht-Wägezellen. Das einzige Material ist Nichrom-, Konstantan- oder Titan-Aluminium-Folie. Die fotolithografische Fertigungstechnologie ermöglicht es, eine komplexe Gitterkonfiguration zu erh alten und den Prozess zu automatisieren.
Im Vergleich zu Dehnungsmessstreifen sind Folien-Dehnungsmessstreifen empfindlicher, führen mehr Strom, übertragen Dehnungen besser, haben stärkere Leitungen und ein komplexeres Muster.
Halbleiter-Wägezellen
Die Empfindlichkeit der Sensoren ist etwa 100-mal höher als die drahtgebundenen, was einen häufigen Einsatz ohne Verstärker ermöglicht. Die Nachteile sind Sprödigkeit, hohe Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und erheblichParameterverteilung.
DMS-Spezifikationen
- Basis - die Länge des Gitterleiters (0,2-150 mm).
- Nennwiderstand R - aktiver Widerstandswert (10-1000 Ohm).
- Arbeitsspeisestrom Ip - Strom, bei dem sich der DMS nicht merklich erwärmt. Bei Überhitzung ändern sich die Eigenschaften der Materialien des Sensorelements, der Basis und der Klebeschicht, wodurch die Messwerte verfälscht werden.
- Dehnungsfaktor: s=(∆R/R)/(∆L/L), wobei R und L der elektrische Widerstand bzw. die Länge des unbelasteten Sensors sind; ∆R und ∆L - Widerstandsänderung und Verformung durch äußere Kraft. Für verschiedene Materialien kann es positiv (R steigt mit Spannung) und negativ (R steigt mit Kompression) sein. Der Wert von s für verschiedene Metalle variiert von -12,6 bis +6.
Schemata zum Einsch alten von Dehnungsmessstreifen
Zur Messung kleiner elektrischer Signale eignet sich am besten eine Brückensch altung, in deren Mitte sich ein Voltmeter befindet. Das einfachste Beispiel wäre ein Dehnungsmessstreifen, dessen Sch altung nach dem Prinzip einer elektrischen Brücke aufgebaut ist, in einem seiner Arme ist er angeschlossen. Sein unbelasteter Widerstand ist derselbe wie der Rest der Widerstände. In diesem Fall zeigt das Gerät Nullspannung an.
Das Funktionsprinzip eines Dehnungsmessstreifens besteht darin, den Wert seines Widerstands zu erhöhen oder zu verringern, je nachdem, ob es sich um Druck- oder Zugkräfte handelt.
Die Temperatur des Dehnungsmessstreifens hat einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der Messwerte. Wenn ein ähnlicher Dehnungswiderstand im anderen Arm der Brücke enth alten ist, der nicht belastet wird, erfüllt er die Funktion, thermische Effekte zu kompensieren.
Die Messsch altung muss auch die Werte des elektrischen Widerstands der an den Widerstand angeschlossenen Drähte berücksichtigen. Ihr Einfluss wird reduziert, indem ein weiterer Draht hinzugefügt wird, der mit einem der Pins des Dehnungsmessstreifens und des Voltmeters verbunden ist.
Wenn beide Sensoren so auf das elastische Element geklebt werden, dass ihre Belastung im Vorzeichen unterschiedlich ist, wird das Signal um das 2-fache verstärkt. Wenn der Stromkreis vier Sensoren enthält, deren Lasten im obigen Diagramm durch Pfeile gekennzeichnet sind, erhöht sich die Empfindlichkeit erheblich. Bei dieser Verbindung von Draht- oder Folien-Dehnungsmessstreifen liefert ein herkömmliches Mikroamperemeter ohne elektrischen Signalverstärker Messwerte. Es ist wichtig, die Widerstandswerte mit einem Multimeter genau auszuwählen, damit sie in jedem Arm der elektrischen Brücke gleich sind.
Anwendung von Dehnungsmessstreifen in der Technik
- Teil des Aufbaus der Waage: Beim Wiegen wird der Sensorkörper elastisch verformt und mit ihm die aufgeklebten Dehnungsmessstreifen zu einem Stromkreis verbunden. Das elektrische Signal wird an das Messgerät übertragen.
- Überwachung des Spannungs-Dehnungs-Zustandes von Bauwerken und Ingenieurbauwerken im Bau- und Betriebsprozess.
- Dehnungsmessstreifen zur Messung von Verformungskräften während der BearbeitungMetalldruck an Walzwerken und Stanzpressen.
- Hochtemperatursensoren für Stahl und andere Industrien.
- Messsensoren mit Edelstahl-Elastikelement zum Einsatz in chemisch aggressiver Umgebung.
Standard-Dehnungsmessstreifen werden in Form von Unterlegscheiben, Säulen, einfachen oder doppelseitigen Balken in S-Form hergestellt. Bei allen Strukturen ist es wichtig, dass die Kraft in eine Richtung aufgebracht wird: von oben nach unten oder umgekehrt. Spezielle Konstruktionen ermöglichen es, unter erschwerten Betriebsbedingungen das Einwirken parasitärer Kräfte zu eliminieren. Ihre Preise hängen weitgehend davon ab.
Für Dehnungsmessstreifen reicht der Preis von Hunderten von Rubel bis zu Hunderttausenden. Viel hängt vom Hersteller, Design, Materialien, Fertigungstechnologie, den Werten der gemessenen Parameter und zusätzlicher elektronischer Ausrüstung ab. Zum größten Teil sind sie Bestandteile verschiedener Arten von Tonleitern.
Schlussfolgerung
Das Funktionsprinzip aller Dehnungsmessstreifen beruht auf der Umwandlung der Verformung des elastischen Elements in ein elektrisches Signal. Für unterschiedliche Einsatzzwecke gibt es unterschiedliche Sensorbauformen. Bei der Auswahl von Dehnungsmessstreifen ist darauf zu achten, ob die Sch altungen verfälschende Temperaturmesswerte und parasitäre mechanische Einflüsse kompensieren.
