DMS

Wenn ein Streifen aus leitfähigem Metall gedehnt wird, wird er dünner und länger, beides führt zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstands von Ende zu Ende. Umgekehrt, wenn ein Streifen aus leitfähigem Metall unter Druck gesetzt wird (ohne zu knicken), wird er breiter und kürzer. Wenn diese Spannungen innerhalb der Elastizitätsgrenze des Metallbandes gehalten werden (damit sich das Band nicht dauerhaft verformt), kann das Band als Messelement für physikalische Kräfte verwendet werden, die Menge der aufgebrachten Kraft, die aus der Messung seines Widerstands abgeleitet wird.

Was ist ein Dehnungsmessstreifen?

Ein solches Gerät wird als DMS bezeichnet . Dehnungsmessstreifen werden in der Maschinenbauforschung und -entwicklung häufig verwendet, um die von Maschinen erzeugten Spannungen zu messen. Die Prüfung von Flugzeugkomponenten ist ein Anwendungsbereich, winzige Dehnungsmessstreifen, die auf Strukturelemente, Gestänge und andere kritische Komponenten einer Flugzeugzelle geklebt werden, um Spannungen zu messen. Die meisten Dehnungsmessstreifen sind kleiner als eine Briefmarke und sehen ungefähr so ​​aus:

Die Leiter eines Dehnungsmessstreifens sind sehr dünn:Wenn sie aus Runddraht bestehen, haben sie einen Durchmesser von etwa 1/1000 Zoll. Alternativ können Dehnungsmessstreifen-Leiter dünne Streifen des Metallfilms sein, die auf einem nichtleitenden Substratmaterial, dem sogenannten Träger . abgeschieden werden . Die letztere Form des Dehnungsmessstreifens ist in der vorherigen Abbildung dargestellt. Als „bonded Gauge“ werden Dehnungsmessstreifen bezeichnet, die unter Belastung auf eine größere Struktur (genannt Prüfkörper) geklebt werden ). Die Aufgabe, Dehnungsmessstreifen an Prüfkörper zu kleben, mag sehr einfach erscheinen, ist es aber nicht. „Messen“ ist ein Handwerk für sich, das für genaue und stabile Dehnungsmessungen unbedingt erforderlich ist. Es ist auch möglich, einen unmontierten Messdraht zu verwenden, der zwischen zwei mechanischen Punkten gespannt wird, um die Spannung zu messen, aber diese Technik hat ihre Grenzen.

DMS-Widerstand

Typische DMS-Widerstände reichen von 30 Ω bis 3 kΩ (unbelastet). Dieser Widerstand darf sich über den gesamten Kraftbereich der Messröhre nur um Bruchteile eines Prozents ändern, wenn die Elastizitätsgrenzen des Lehrenmaterials und des Prüfkörpers gegeben sind. Kräfte, die groß genug sind, um größere Widerstandsänderungen hervorzurufen, würden den Prüfling und/oder die Leiter des Messgeräts selbst dauerhaft verformen und so das Messgerät als Messgerät ruinieren. Um den Dehnungsmessstreifen als praktisches Instrument zu verwenden, müssen wir daher extrem kleine Widerstandsänderungen mit hoher Genauigkeit messen.

Brückenmessschaltung

Diese anspruchsvolle Präzision erfordert eine Brückenmessschaltung. Anders als bei der im letzten Kapitel gezeigten Wheatstone-Brücke, die einen Nullbalance-Detektor und eine menschliche Bedienungsperson verwendet, um einen Gleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten, zeigt eine Dehnungsmessstreifen-Brückenschaltung die gemessene Dehnung durch den Grad der Unwucht . an , und verwendet ein Präzisionsvoltmeter in der Mitte der Brücke, um eine genaue Messung dieser Unwucht zu ermöglichen:

Normalerweise ist der Rheostatarm der Brücke (R₂ im Diagramm) auf einen Wert eingestellt, der dem Widerstand des Dehnungsmessstreifens ohne Kraftanwendung entspricht. Die beiden Verhältnisarme der Brücke (R₁ und R₃ ) gleichgesetzt werden. Ohne Krafteinwirkung auf den Dehnungsmessstreifen wird die Brücke somit symmetrisch ausgeglichen und das Voltmeter zeigt null Volt an, was eine Kraft von null auf den Dehnungsmessstreifen darstellt. Wenn der Dehnungsmessstreifen entweder zusammengedrückt oder gespannt wird, verringert bzw. erhöht sich sein Widerstand, wodurch die Brücke aus dem Gleichgewicht gebracht wird und eine Anzeige am Voltmeter erzeugt wird. Diese Anordnung, bei der ein einzelnes Element der Brücke den Widerstand als Reaktion auf die gemessene Größe (mechanische Kraft) ändert, wird als Viertelbrücke bezeichnet Schaltung.

Da der Abstand zwischen dem Dehnungsmessstreifen und den drei anderen Widerständen in der Brückenschaltung beträchtlich sein kann, hat der Drahtwiderstand einen erheblichen Einfluss auf die Funktion der Schaltung. Um die Auswirkungen des Drahtwiderstands zu veranschaulichen, zeige ich das gleiche schematische Diagramm, füge jedoch zwei Widerstandssymbole in Reihe mit dem Dehnungsmessstreifen hinzu, um die Drähte darzustellen:

Drahtwiderstände

Der Widerstand des Dehnungsmessstreifens (R_Messstreifen ) ist nicht der einzige gemessene Widerstand:die Drahtwiderstände R_wire1 und R_wire2 , in Serie mit R_Spur , tragen auch zum Widerstand der unteren Hälfte des Rheostatzweigs der Brücke bei und tragen folglich zur Anzeige des Voltmeters bei. Dies wird vom Messgerät natürlich fälschlicherweise als physikalische Belastung des Messgeräts interpretiert.

Dieser Effekt lässt sich in dieser Konfiguration zwar nicht vollständig eliminieren, kann aber durch Hinzufügen eines dritten Drahts minimiert werden, indem die rechte Seite des Voltmeters direkt mit dem oberen Draht des Dehnungsmessstreifens verbunden wird:

Da der dritte Draht praktisch stromlos ist (aufgrund des extrem hohen Innenwiderstands des Voltmeters), sinkt sein Widerstand nicht wesentlich. Beachten Sie, wie der Widerstand des oberen Kabels (R_wire1 ). ) um jeglichen Streuwiderstand in Reihe mit dem Messgerät beizutragen. Natürlich keine perfekte Lösung, aber doppelt so gut wie die letzte Runde!

Es gibt jedoch eine Möglichkeit, den Drahtwiderstandsfehler weit über die gerade beschriebene Methode hinaus zu reduzieren und auch eine andere Art von temperaturbedingten Messfehlern zu mindern.

Widerstandsänderung der Temperatur

Eine unglückliche Eigenschaft von Dehnungsmessstreifen ist die Widerstandsänderung bei Temperaturänderungen. Diese Eigenschaft haben alle Dirigenten gemeinsam, manche mehr als andere. Somit funktioniert unsere gezeigte Viertelbrückenschaltung (entweder mit zwei oder mit drei Drähten, die das Messgerät mit der Brücke verbinden) genauso gut als Thermometer wie als Dehnungsanzeiger. Wenn wir nur die Belastung messen wollen, ist das nicht gut. Wir können dieses Problem jedoch überwinden, indem wir anstelle von R₂ . einen „Dummy“-DMS verwenden , damit beide Elemente des Rheostatarms ändern den Widerstand bei Temperaturänderungen im gleichen Verhältnis, wodurch die Auswirkungen von Temperaturänderungen aufgehoben werden:

Widerstände R₁ und R₃ haben den gleichen Widerstandswert und die Dehnungsmessstreifen sind untereinander identisch. Ohne Krafteinwirkung sollte sich die Brücke in einem perfekt abgeglichenen Zustand befinden und das Voltmeter sollte 0 Volt anzeigen. Beide Messgeräte sind mit dem gleichen Prüfling verklebt, aber nur eines ist so positioniert und ausgerichtet, dass es körperlicher Belastung ausgesetzt ist (das aktive Messgerät). Das andere Messgerät ist von allen mechanischen Belastungen isoliert und dient lediglich als Temperaturkompensation (der „Dummy“ Messgerät). Wenn sich die Temperatur ändert, ändern sich beide Messwiderstände um den gleichen Prozentsatz und der Gleichgewichtszustand der Brücke bleibt unberührt. Nur ein Differenzwiderstand (Widerstandsdifferenz zwischen den beiden Dehnungsmessstreifen), der durch physikalische Krafteinwirkung auf den Prüfling erzeugt wird, kann die Balance der Brücke verändern.

Der Drahtwiderstand beeinflusst die Genauigkeit der Schaltung nicht mehr so ​​stark wie zuvor, da die Drähte, die beide Dehnungsmessstreifen mit der Brücke verbinden, ungefähr gleich lang sind. Daher weisen die oberen und unteren Abschnitte des Rheostatarms der Brücke ungefähr den gleichen Streuwiderstand auf, und ihre Auswirkungen neigen dazu, sich aufzuheben:

Viertelbrücken- und Halbbrückenschaltungen

Obwohl es jetzt zwei Dehnungsmessstreifen in der Brückenschaltung gibt, spricht nur einer auf mechanische Dehnungen an, daher würden wir diese Anordnung immer noch als Viertelbrücke bezeichnen . Wenn wir jedoch den oberen Dehnungsmessstreifen nehmen und ihn so positionieren, dass er der entgegengesetzten Kraft ausgesetzt ist wie der untere (dh wenn der obere Dehnungsmessstreifen gestaucht wird, wird der untere Dehnungsmessstreifen gedehnt und umgekehrt), werden wir habe beide Messgeräte, die auf Dehnung reagieren, und die Brücke reagiert besser auf aufgebrachte Kraft. Diese Nutzung wird als Halbbrücke bezeichnet . Da beide Dehnungsmessstreifen als Reaktion auf Temperaturänderungen entweder den Widerstand um den gleichen Anteil erhöhen oder verringern, bleiben die Auswirkungen der Temperaturänderung aufgehoben und die Schaltung erleidet einen minimalen temperaturbedingten Messfehler:

Ein Beispiel, wie ein Paar Dehnungsmessstreifen mit einem Prüfling verbunden werden kann, um diesen Effekt zu erzielen, ist hier dargestellt:

Ohne Krafteinwirkung auf den Prüfling haben beide Dehnungsmessstreifen den gleichen Widerstand und die Brückenschaltung ist symmetrisch. Wenn jedoch eine nach unten gerichtete Kraft auf das freie Ende der Probe ausgeübt wird, biegt es sich nach unten, wodurch Lehre Nr. 1 gedehnt und Lehre Nr. 2 gleichzeitig zusammengedrückt wird:

Vollbrückenschaltungen

Bei Anwendungen, bei denen solche komplementären Paare von Dehnungsmessstreifen mit dem Prüfling verbunden werden können, kann es für eine noch höhere Empfindlichkeit vorteilhaft sein, alle vier Elemente der Brücke „aktiv“ zu machen. Dies wird als Vollbrücke bezeichnet Schaltung:

Sowohl Halbbrücken- als auch Vollbrückenkonfigurationen bieten eine höhere Empfindlichkeit gegenüber der Viertelbrückenschaltung, aber oft ist es nicht möglich, komplementäre Paare von Dehnungsmessstreifen mit dem Prüfling zu verbinden. Daher wird die Viertelbrückenschaltung häufig in Dehnungsmesssystemen verwendet.

Wenn möglich, ist die Vollbrückenkonfiguration am besten zu verwenden. Dies ist nicht nur wahr, weil es empfindlicher ist als die anderen, sondern auch, weil es linear ist während die anderen es nicht sind. Viertelbrücken- und Halbbrückenschaltungen liefern ein (Ungleichgewichts-)Ausgangssignal, das nur ungefähr ist proportional zur aufgebrachten DMS-Kraft. Die Linearität oder Proportionalität dieser Brückenschaltungen ist am besten, wenn die Widerstandsänderung aufgrund der aufgebrachten Kraft im Vergleich zum Nennwiderstand der Messröhre(n) sehr gering ist. Bei einer Vollbrücke ist die Ausgangsspannung jedoch ohne Näherung direkt proportional zu einer aufgebrachten Kraft (vorausgesetzt, die durch die aufgebrachte Kraft verursachte Widerstandsänderung ist für alle vier Dehnungsmessstreifen gleich!).

Im Gegensatz zu den Wheatstone- und Kelvin-Brücken, die Messungen bei einem Zustand perfekter Symmetrie ermöglichen und daher unabhängig von der Quellenspannung funktionieren, ist die Höhe der Quellenspannung (oder „Erregung“) bei einer unsymmetrischen Brücke wie dieser von Bedeutung. Daher werden DMS-Brücken in Millivolt Unwucht angegeben, die pro erzeugt wird Erregungsspannung, pro Einheitsmaß der Kraft. Ein typisches Beispiel für einen Dehnungsmessstreifen des Typs, der zum Messen von Kraft in industriellen Umgebungen verwendet wird, beträgt 15 mV/V bei 1000 Pfund. Das heißt, bei genau 1000 Pfund ausgeübter Kraft (entweder Druck- oder Zugkraft) wird die Brücke für jedes Volt der Erregungsspannung um 15 Millivolt unausgeglichen. Auch hier ist eine solche Zahl präzise, ​​wenn die Brückenschaltung voll aktiv ist (vier aktive Dehnungsmessstreifen, einer in jedem Zweig der Brücke), aber nur ungefähr für Halbbrücken- und Viertelbrücken-Anordnungen.

Dehnungsmessstreifen können als komplette Einheiten erworben werden, mit Dehnungsmessstreifenelementen und Brückenwiderständen in einem Gehäuse, die zum Schutz vor Witterungseinflüssen abgedichtet und gekapselt und mit mechanischen Befestigungspunkten zur Befestigung an einer Maschine oder Struktur ausgestattet sind. Ein solches Paket wird normalerweise als Wägezelle bezeichnet .

Wie viele der anderen in diesem Kapitel behandelten Themen können Dehnungsmessstreifensysteme ziemlich komplex werden, und eine vollständige Dissertation über Dehnungsmessstreifen würde den Rahmen dieses Buches sprengen.

RÜCKBLICK:

• Ein Dehnungsmessstreifen ist ein dünner Metallstreifen zur Messung der mechanischen Belastung durch Änderung des Widerstands bei Belastung (gedehnt oder zusammengedrückt innerhalb seiner Elastizitätsgrenze).
• DMS-Widerstandsänderungen werden normalerweise in einer Brückenschaltung gemessen, um eine präzise Messung der kleinen Widerstandsänderungen zu ermöglichen und um temperaturbedingte Widerstandsschwankungen zu kompensieren.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt DC-Brückenschaltungen