Dehnungsmessstreifen verstehen

Ein passiver Wandler, wie z. B. ein Dehnungsmessstreifen, wandelt eine mechanische Verschiebung in eine Widerstandsänderung um. Es handelt sich um ein dünnes, scheibenähnliches Gerät, das die aufgebrachte Dehnung misst und mit einem geeigneten Klebstoff mit einer Vielzahl von Materialien verbunden werden kann. Die daraus resultierende Dehnung verformt den an der Struktur befestigten Dehnungsmessstreifen, wenn er belastet wird. Es erhöht den spezifischen Widerstand des Messgeräts, was zu einem elektrischen Signal führt, das proportional zur Verformung ist. Wenn der Dehnungsmessstreifen-Wegsensor einer Verschiebung ausgesetzt wird, umfasst er eine Struktur, die an dem Dehnungsmessstreifen befestigt ist und sich elastisch verformt.

In diesem Artikel lernen Sie Definition, Anwendung, Anforderungen, Teile, Diagramm, Typen, Funktionsweise, Vor- und Nachteile eines Dehnungsmessstreifens kennen.

Was ist ein Dehnungsmessstreifen?

Ein Dehnungsmessstreifen (auch bekannt als Dehnungsmessstreifen) ist ein Gerät, das die Belastung eines Gegenstands misst. Die gebräuchlichste Art von Dehnungsmessstreifen, erfunden von Edward E. Simmons und Arthur C. Ruge im Jahr 1938, besteht aus einem isolierenden, flexiblen Träger, der ein Metallfolienmuster trägt. Ein geeigneter Klebstoff, wie z. B. Cyanoacrylat, wird verwendet, um das Messgerät mit dem Gegenstand zu verbinden. Wenn sich das Objekt verformt, verformt sich auch die Folie und ändert den elektrischen Widerstand. Der k-Faktor ist eine Größe, die mit der Widerstandsänderung verbunden ist, die üblicherweise mit einer Wheatstone-Brücke gemessen wird.

Ingenieure verwenden häufig Dehnungsmessstreifen, um den Einfluss äußerer Kräfte auf ein Objekt zu messen. Sie messen direkt die Dehnung, die verwendet werden kann, um Spannung, Drehmoment, Druck, Durchbiegung und eine Vielzahl anderer Metriken abzuleiten.

Die Dehnung ist ein dimensionsloses Maß, das heißt das Verhältnis der geänderten Länge eines Objekts zu seiner ursprünglichen Länge. Infolgedessen tritt eine positive Dehnung auf, wenn ein Material gedehnt wird, während eine negative Dehnung auftritt, wenn ein Material gestaucht wird. Spannung ist definiert als die ausgeübte Kraft dividiert durch die anfängliche Querschnittsfläche des Objekts oder die innere Widerstandsfähigkeit des Objekts.

Bewerbung

Dehnungsmessstreifen werden üblicherweise im Hoch- und Tiefbau und in der geotechnischen Überwachung verwendet, um Ausfälle in Bauwerken wie Brücken, Gebäuden und anderen Bauwerken zu identifizieren. Da jede erhebliche Verformung zu Verletzungen oder zum Tod führen kann, müssen diese Strukturen ständig überwacht werden. Diese Messgeräte werden aufgrund ihrer hohen Präzision, ihrer Fähigkeit, in großen Entfernungen vom Testobjekt zu funktionieren, und ihrer einfachen Einrichtung und Wartung über lange Zeiträume weit verbreitet verwendet.

Das Testen im Freien ist häufig nicht dasselbe wie das Testen im Labor unter idealen Bedingungen. Einer der Gründe, warum Dehnungsmessstreifen so wertvoll sind, ist, dass sie unter schwierigen Bedingungen eingesetzt werden können und zuverlässige, hochpräzise Daten liefern. Ein spezielles Gerät wie ein Dehnungsmessstreifen ist häufig erforderlich, wenn ein Ingenieur Produkte mit unregelmäßigen Formen an rauen Orten mit schwer zugänglichen Einrichtungen testet. Beispielsweise werden in Luft- und Raumfahrtanwendungen Millionen von Dehnungsmessstreifen verwendet, um die Ergebnisse von CAD- (Computer-Aided Design) und FEA- (Finite-Elemente-Analyse) Simulationen zu überprüfen. Diese Tests werden häufig unter dynamischen Bedingungen durchgeführt, um die Wirkung verschiedener Kräfte auf Flugzeuge realistisch darzustellen.

Auch statische Prüfungen werden routinemäßig mit Dehnungsmessstreifen durchgeführt. Drahtlose Telemetrie wird von einigen Bridges verwendet, die die Testergebnisse über Ethernet senden. Andere Brücken hingegen werden einer Sichtprüfung oder Eindringprüfung unterzogen, um Oberflächenfehler zu erkennen. Diese Technologien sind zwar kostengünstig, ermöglichen jedoch keine kontinuierliche Inspektion, was zu katastrophalen Einstürzen wie der Stahlfachwerkbrücke I-35 in Minneapolis führen kann. Die Bundesregierung hat die Brücke 1990 als „strukturschwach“ eingestuft, was bedeutete, dass sie sich einer jährlichen Inspektion unterziehen musste. Die Brücke stürzte schließlich im Jahr 2007 ein und tötete 13 Menschen, da es an kontinuierlicher Überwachung der Dehnungsmessstreifen, erheblichen Reparaturen oder Ersatz mangelt. Im Folgenden sind die üblichen Anwendungen eines Dehnungsmessstreifens aufgeführt:

• Dehnungsmessung
• Eigenspannung messen
• Vibrationsanalyse
• Drehmomentmessung
• Messung von Biegung und Durchbiegung
• Messung von Druck und Zug

Anforderung an DMS-Material

Ein guter Dehnungsmessstreifen muss Folgendes leisten können:

• Der Dehnungsmessstreifen sollte von bescheidener Größe und geringem Gewicht sein.
• Es sollte extrem spannungsempfindlich sein.
• Der k-Faktor eines Dehnungsmessstreifens sollte hoch sein.
• Es muss einfach an der Probe anzubringen sein.
• Es sollte eine schnelle Reaktionszeit und wenig Zeitverzögerung haben.
• Es sollte in der Lage sein, den Unterschied zwischen statischer, transienter und dynamischer Belastung zu erkennen.
• Es sollte in der Lage sein, Informationen aus der Ferne anzuzeigen und aufzuzeichnen.
• Temperatur, Feuchtigkeit, Vibration und andere Umgebungsfaktoren sollten es nicht beeinflussen.
• Es sollte erschwinglich, zuverlässig und in verschiedenen Größen verfügbar sein.

Diagramm eines Dehnungsmessstreifens:

Arten von Dehnungsmessstreifen

Auf dem Markt sind verschiedene Arten von Dehnungsmessstreifen erhältlich. Im Folgenden sind die verschiedenen Arten von Dehnungsmessstreifen aufgeführt:

• Lineare Dehnungsmessstreifen
• Membranrosetten-Dehnungsmessstreifen
• Doppelte lineare Dehnungsmessstreifen
• Vollbrücken-Dehnungsmessstreifen
• Scherdehnungsmessstreifen
• Halbbrücken-Dehnungsmessstreifen
• Säulen-DMS
• 45°-Rosette (3 Messrichtungen)
• 90°-Rosette (2 Messrichtungen).

Im Folgenden sind einige andere Arten von Fleckenmessgeräten aufgeführt, auf die Sie möglicherweise stoßen:

Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, auch bekannt als piezoresistive, werden im Allgemeinen gegenüber Folienmessstreifen bevorzugt, um kleine Dehnungen zu messen. Der k-Faktor eines Halbleiter-Sensors ist in der Regel höher als der eines Folien-Sensors. Halbleiter-Messgeräte sind oft teurer, temperaturempfindlicher und empfindlicher als Folien-Messgeräte.

Dehnungsmessstreifen aus Nanopartikeln scheinen eine vielversprechende neue Technik zu sein. Aufgrund ihrer hohen Impedanz haben diese resistiven Sensoren mit einem aktiven Bereich, der aus einer Anordnung leitfähiger Nanopartikel wie Gold oder Kohlenstoff besteht, einen hohen k-Faktor, einen großen Verformungsbereich und einen geringen Stromverbrauch.

Ein Quecksilber-in-Gummi-Dehnungsmessstreifen wird bei biologischen Messungen verwendet, insbesondere bei Blutfluss und Gewebeschwellung. Dieser Dehnungsmessstreifen besteht aus einer kleinen Menge flüssigen Quecksilbers, das in einem kleinen Gummischlauch eingeschlossen ist, der beispielsweise um einen Zeh oder ein Bein gewickelt wird. Wenn ein Körperteil anschwillt, dehnt sich die Röhre aus, wodurch sie sowohl länger als auch dünner wird und den elektrischen Widerstand erhöht.

Um die Dehnung zusammen mit einer optischen Faser zu messen, kann eine faseroptische Erfassung verwendet werden. Messungen können an zufälligen Stellen zusammen mit der Faser oder an bestimmten Punkten durchgeführt werden. Eingebettete Sensoren dieses Typs werden auf den America’s-Cup-Booten Alinghi 5 und USA-17 von 2010 verwendet.

Dehnungen können auch mit anderen optischen Techniken wie elektronischer Speckle-Pattern-Interferometrie oder digitaler Bildkorrelation gemessen werden.

Dehnungsmessstreifen im Mikromaßstab werden häufig in MEMS eingesetzt, um Spannungen zu überwachen, die durch Kraft, Beschleunigung, Druck oder Schall verursacht werden. MEMS-Beschleunigungsmesser werden zum Beispiel häufig verwendet, um Airbags in Autos zu aktivieren. Integrierte optische Ringresonatoren können als Alternative zu piezoresistiven Dehnungsmessstreifen (MOEMS) zur Dehnungsüberwachung in mikrooptoelektromechanischen Systemen verwendet werden.

Ein Drehkondensator wird in kapazitiven Dehnungsmessstreifen verwendet, um den Grad der mechanischen Verformung zu erfassen.

Anwendungen in der Geotechnik und im Bauwesen verwenden Dehnungsmessstreifen mit Schwingdrähten. Ein vibrierender, gespannter Draht bildet das Messgerät. Die Dehnung wird berechnet, indem die Resonanzfrequenz des Drahtes bestimmt wird (eine Erhöhung der Spannung erhöht die Resonanzfrequenz).

Geotechnische Anwendungen verwenden auch Quarzkristall-Dehnungsmessstreifen. Der entscheidende Sensor von DART ist ein Drucksensor mit einem resonanten Quarzkristall-Dehnungsmessstreifen und einem Bourdon-Rohr-Kraftkollektor. DART erkennt Tsunamiwellen in den tiefsten Tiefen des Ozeans. Bei der Überwachung des Drucks in einer Tiefe von vielen Kilometern hat es eine Druckauflösung von etwa 1 mm Wassersäule.

Arbeitsprinzip

Die Funktionsweise eines Dehnungsmessstreifens ist recht interessant, weniger komplex und leicht verständlich. Sehen Sie sich das Video unten an, um einen visuellen Eindruck davon zu bekommen, wie ein Dehnungsmessstreifen funktioniert.

Vor- und Nachteile eines Dehnungsmessstreifens

Vorteile:

Im Folgenden sind die Vorteile eines Dehnungsmessstreifens in seinen verschiedenen Anwendungen aufgeführt:

• Weil es keine beweglichen Teile gibt, gibt es keinen Verschleiß.
• Dehnungsmessstreifen sind extrem genau.
• Es ist kompakt und kostengünstig.
• Es hat einen großen Frequenzbereich.

Nachteile:

Trotz der Vorteile eines Dehnungsmessstreifens treten immer noch einige Einschränkungen auf. Nachfolgend sind die Nachteile von Dehnungsmessstreifen in ihren verschiedenen Anwendungen aufgeführt.

• Es ist ein nichtlineares System.
• Es ist extrem temperaturempfindlich.
• Es muss regelmäßig kalibriert werden.
• Dehnungsmessstreifen müssen manuell angebracht werden. Es kostet Zeit und Geld, sie an die richtigen Stellen zu bringen. Das ist einer ihrer schwerwiegendsten Fehler.

Schlussfolgerung

Ein passiver Wandler, wie z. B. ein Dehnungsmessstreifen, wandelt eine mechanische Verschiebung in eine Widerstandsänderung um. Es handelt sich um ein dünnes, scheibenähnliches Gerät, das die aufgebrachte Dehnung misst und mit einem geeigneten Klebstoff mit einer Vielzahl von Materialien verbunden werden kann. Die daraus resultierende Dehnung verformt den an der Struktur befestigten Dehnungsmessstreifen, wenn er belastet wird. Das ist alles für diesen Artikel, in dem Definition, Anwendung, Anforderungen, Teile, Diagramm, Typen, Funktionsweise, Vor- und Nachteile eines Dehnungsmessstreifens diskutiert werden.

Ich hoffe, Sie lernen viel aus der Lektüre, wenn ja, teilen Sie sie bitte mit anderen Schülern. Danke fürs Lesen, bis bald!