Dehnungsmessstreifen

Überblick über die Dehnungsmessstreifen

Der Dehnungsmessstreifen basiert auf folgendem Phänomen: Wenn ein leitendes Metall gedehnt wird, wird es nicht nur länger und dünner, sondern es kommt auch zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands zwischen einem Ende des Streifens zum andern. Umgekehrt wird er, wenn man ihn staucht (ohne dass er sich wölbt) nicht einfach nur kürzer und breiter, sondern es kommt zu einem Rückgang des elektrischen Widerstands. Vorausgesetzt, dass diese Dehnkräfte nicht die Elastizitätsgrenze des Streifens überschreiten (was zu einer permanenten Verformung führen würde), kann der leitfähige Streifen mehrfach verwendet werden, um die Stärke der mechanischen Kraft zu messen, die auf das Objekt wirkt, an dem der Streifen angebracht ist. Er ist, in anderen Worten, ein Wandler, der die Änderungen der mechanischen Kraft in Änderungen des elektrischen Widerstands umwandelt.

Dehnungsmessstreifen kommen weit verbreitet im Maschinenbau zum Einsatz, um beispielsweise die Spannungen zu bestimmen, die schwere Maschinen erzeugen werden, und Sicherheitsgrenzen für Geräte und Umgebung festzulegen. Man kann gar nicht übertrieben genug darstellen, wie wichtig das ist: Die Prüfung von Flugzeugkomponenten, beispielsweise, ist stark auf Dehnungsmessstreifen angewiesen, um ihren Zustand und Sicherheit zu bestimmen. Protokoll Dehnungsmessstreifen werden regelmäßig an Verbindungselementen und Bauteilen angebracht, die das Flugwerk bilden, um zu messen, wie stark die mechanische Beanspruchung ist, der sie unterliegen. Bei den meisten Anwendungen sind die Dehnungsmessstreifen sehr klein, nicht größer als eine normale Briefmarke. Die kleinsten Messstreifen sind nicht länger als 0,38 cm und können Dehnungskräfte von bis zu 0,00001 Zoll pro Zoll protokollieren.

Geschichte

Einer der ersten Dehnungsmessstreifen, der Widerstandsdehnungsmessstreifen, wurde 1856 von dem britischen Mathematiker, Ingenieur und Physiker William Thompson erfunden, der später zum ersten Lord Kelvin ernannt wurde. Er entdeckte, dass der elektrische Widerstand in einem Stück Eisen oder Kupferdraht anstieg oder zurückging, wenn dieses gedehnt oder gestaucht wurde.

Nach dieser Entdeckung hatten die meisten Dehnungsmessstreifen die unhandliche Form von Spiegeln und optischen Hebeln oder Verbundsystemen mit mechanischen Hebeln, obwohl sie in der Lage waren, Verformungen von so geringen Ausmaßen wie 0,00005 Zoll [0,00127 mm] festzustellen. Mit einer Länge von 1/2 [12,7 mm] bis 1 [25,4 mm] Zoll waren sie relativ groß und schwer im Vergleich zu modernen Dehnungsmessstreifen, wodurch sie bei der Feststellung variierender Spannungen in einer Struktur wegen der dynamischen Belastung sehr ungenau waren.

Der amerikanische Elektroingenieur Edward Simmons und sein Kollege, der Maschinenbauingenieur Arthur Ruge, erfanden 1938 den modernen gebondeten Draht-Widerstandsmessstreifen. Der grundlegende Aufbau dieses Wandlers ist auch heute noch in Gebrauch. Ursprünglich besaß er die Form eines Stückes außergewöhnlich feinen Drahtes, der akribisch in Schleifen in ein Gittermuster gelegt wurde, welches zwischen zwei äußerst dünne Blättern Papier eingelegt wurde (Zement verhinderte, dass der Draht zwischen dem Papier verrutschen konnte). Er wurde dann an die Oberfläche der Maschine oder Struktur, in der die Dehnung zu messen war, aufgeklebt.

Da die Struktur verformenden Belastungen ausgesetzt wird, geht jede Dehnung oder Zusammenziehung auf ihrer Oberfläche mit den entsprechenden verformenden Veränderungen des Dehnungsmessstreifens einher, der mit Strom versorgt wird. Der durch den Dehnungsmessstreifen fließende Strom ist verschiedenen Widerstandsstärken ausgesetzt, je nachdem, ob der Messstreifen gedehnt oder gestaucht wird. Der Messstreifen wandelt dann die Widerstandsänderungen in eine Messung der Dehnung um, die auf einer Anzeige abgelesen werden kann.

Technische Aspekte

Im unbelasteten Zustand weisen die meisten Dehnungsmessstreifen einen elektrischen Widerstand von 3 bis 30 Ω auf. Die Elastizitätsgrenze des Messstreifens legt zwangsläufig Kraftbereiche des Geräts fest, wobei der Widerstand sich nur um eine winzige Menge ändert, wenn die Grenze der vollen Kraft erreicht ist. Stärkere Kräfte hätten zur Folge, dass der Messstreifen permanent verformt und somit zerstört wird. Das heißt, dass kleine Änderungen des Widerstands, die normalerweise weniger als einen Bruchteil eines Prozentpunktes betragen, mit außergewöhnlich hoher Genauigkeit gemessen werden müssen. Während die Eingangsspannung entweder 5 V oder 12 V beträgt, wird die Ausgangsleistung in Millivolt gemessen.

In modernen Dehnungsmessstreifen werden oft Messbrückenschaltungen verwendet, um diese hohen Anforderungen für präzise Messungen zu erfüllen. Zuvor wurde dieses mittels einer Wheatstone-Brücke erreicht, einer Schaltung, die einen menschlichen Bediener und ein Nullabgleich-Messgerät erforderte, um einen Ausgleichszustand aufrechtzuerhalten. Heute werden diese von Dehnungsmessstreifen-Brückenschaltungen verdrängt, bei denen ein hochpräziser Spannungsmesser in der Mitte des Schaltkreises eingebaut ist, um die Stärke des induzierten Ungleichgewichts direkt zu messen.

Während die „Papier- und Drahtsandwich“-Konstruktion, die im Abschnitt oben beschrieben wurde, im Wesentlichen bei heutigen Dehnungsmessstreifen dieselbe ist, haben sich die Materialien geändert: Sie werden als gedruckte Schaltkreisgitter hergestellt, angeordnet in Zickzack-Mustern, die in dünne, flache Konstantan Folien geätzt sind. Konstantan ist heute das in Dehnungsmessstreifen am meisten verwendete Material; es handelt sich dabei um eine Legierung, die sehr sensibel auf Dehnungen reagiert und sich ideal als Bestandteil der Messstreifenfolie eignet. Die Folien sind an einem nichtleitenden Kunststoffträger befestigt, der als der Träger bezeichnet wird und normalerweise aus Epoxid oder glasfaserverstärktem Epoxy-Phenol oder -Polyamid hergestellt ist. Der Kunststoffträger ermöglicht es, den Messstreifen sicher zu handhaben, wobei dieser üblicherweise nicht dicker als 0,001 Inch [0,0254 mm] ist.

Dehnungsmessstreifen erkennen durch thermisch induzierte Kontraktion oder Ausdehnung verursachte Verformungen der Strukturen, an die sie geklebt werden. Deshalb wird es als bewährte Praxis betrachtet, vom Gerät selbst generierte Erwärmungen aufgrund von übermäßigen Eingangsspannungen zu vermeiden.

Einsatzgebiete des Dehnungsmessstreifens in der Produktion

Dehnungsmessstreifen werden weltweit vermehrt in einer Unmenge verschiedener industrieller Anwendungen eingesetzt. Sie werden heute regelmäßig in Lastmessdosen von Brückenwaagen, Ladetrichtern und Waagen verschiedener Arten sowie in pädagogischen und medizinischen Anwendungen verwendet. Wie bereits zuvor erwähnt, werden sie verbreitet in der Forschung und Entwicklung im Maschinenbau eingesetzt, um den Zustand und die Sicherheit von Automobilen, Luftfahrt- und medizinischen Geräten, aber auch von Geräten und Maschinen in den Öl-, Gas- und Strom erzeugenden Industrien zu prüfen. Gebäude und Brücken werden ebenfalls mit Dehnungsmessstreifen versehen, um ihre strukturelle Integrität und Sicherheit konstant zu überwachen.

Sie sind außergewöhnlich robust und halten extremen Bedingungen stand, wie zum Beispiel in kryogenen Anlagen, wo die Temperaturen von - 269 ºC bis 1.300 ºC reichen können, oder in Bereichen mit hoher Strahlung. Strukturen oder Maschinen, die außergewöhnlich starken Vibrationen ausgesetzt sind, werden routinemäßig mit Dehnungsmessstreifen versehen, aber auch Anwendungen, die außergewöhnliche Dehnungen erfahren.

Wie sich Dehnungsmessstreifen von anderen Sensoren unterscheiden

Obwohl sie einer Kategorie der Wandler angehören, sind Dehnungsmessstreifen insofern einzigartig, als sie Änderungen mechanischer Kräfte in Änderungen des elektrischen Widerstands umwandeln, die dann in Dehnungsmesswerte umgesetzt werden.