So wandeln Sie ein Bauteil in einen aktiven Sensor um

In vielen Anwendungen, die Messungen von Kraft, Last, Druck oder Drehmoment erfordern, können Sie aufgrund von Platzmangel oder notwendigen kostspieligen Änderungen an Ihrer bestehenden Konstruktion möglicherweise keinen Standardsensor installieren. Dieses Whitepaper gibt einen Überblick über die effektivste Methode des Einsatzes eines Dehnungsmessstreifens (DMS), um ein vorhandenes geeignetes Bauteil oder eine mechanische Komponente in einen Sensor umzuwandeln.

DMS-Typen

Es gibt verschiedene Kategorien von Dehnungsmessstreifen, um vielen Anwendungen gerecht werden zu können. Ein Einzel/Linear-DMS, auch Viertelbrücke genannt, kann auf verschiedene Arten eingesetzt werden kann. Die T-Rosette hat zwei Messgitter, auch Halbbrücke genannt, wobei jedes Gitter um 90 Grad versetzt angeordnet ist, so dass die Messung von axialer Dehnung und Poisson-Effekt auf demselben DMS-Träger erfolgen kann. Diese Technik kann bei Biege-/Scherstäben, Säulentypen oder zur Drehmomentmessung eingesetzt werden.

Eine DMS-Vollbrücken-Konfiguration kann in allen Arten von Anwendungen verwendet werden und ist der DMS-Typ, der am häufigsten gewählt wird, wenn ein vorhandenes Bauteil in einen Sensor umgewandelt werden soll. Der Hauptvorteil eines Vollbrücken-Dehnungsmessstreifens besteht darin, dass alle Messgitter auf einem Träger untergebracht werden können, um ihre korrekte Ausrichtung zu gewährleisten und Ausrichtungsfehler zu vermeiden. Ein Beispiel für eine Vollbrücke ist die Membranrosette. Diese Konfiguration reduziert auch die interne Verdrahtung, da die Brückenschaltung über den DMS erfolgt, was zur Vereinfachung der Installation beiträgt, die Installation.

Anwendungen

Es gibt viele Anwendungen für Dehnungsmessstreifen. Je nach den durchzuführenden Messungen, können unterschiedliche Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Einige Anwendungsbeispiele als Sensorik sind in Abbildung 1 dargestellt. In Anwendungen der Medizintechnik werden Dehnungsmessstreifen eingesetzt, um Okklusionen (Verschlüsse) in Infusionspumpen als Druck, Drehmoment in medizinischen Robotern und Kraft in allen Arten von medizinischen Geräten zu erfassen, in denen die DMS oder Sensoren Hunderten von Autoklav-Zyklen standhalten müssen.

Da landwirtschaftliche Geräte „intelligenter“ geworden sind, werden Dehnungsmessstreifen-Sensoren in allen Arten von Anwendungen eingesetzt, wie Anpressdrucksensoren für Sämaschinen und Drehmomentaufnehmer für autonome Traktoren. Bei Kränen und geländegängigen Fahrzeugen sind viele Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen, bis hin zum Schutz gegen Umkippen oder Überschlagen. Die Industrieroboter von heute bewegen sich in allen Bereichen der Fertigung und benötigen Sensoren für präzise Kraftrückkopplungsschleifen. Letztendlich geht es dabei immer um verschiedene Sensoren, die die mechanischen Veränderungen messen können und darum, wie Sie einen Sensor anpassen, um die genaueste Messung zu erhalten.

Abbildung 1: Anwendungsbeispiele für Dehnungsmessstreifen

Prinzipien

Kraft, Masse, Drehmoment und Druck sind die vier Grundprinzipien der Messung. Wenn Sie an einen Stab als Verformungskörper denken, wird über Zug oder Druck eine Kraft aufgebracht. Was letztlich passiert, ist, dass der Stab bei Zugbelastung länger und bei Druckbelastung nach unten gestaucht und dadurch breiter wird.

In diesem Beispiel ist die axiale Dehnung positiv, wenn am Stab gezogen wird; die Druckverformung an einem 90º-Poisson-DMS ist bei Druckbeanspruchung negativ, weil der Stab dünner wird. Das Gegenteil geschieht bei diesem Messkörper, wenn eine Druckkraft auf den Stab wirkt. Die grundlegende Dehnungsgleichung ist Δl über dem ursprünglichen l und dies gilt für alle diese Arten von Messungen.

Wenn Sie einen DMS auf diesen Verformungskörpern platzieren, wird nicht nur an einem einzigen aktiven Punkt gemessen. Es gibt einen arithmetischen Mittelwert über die aktive Messgitterlänge zwischen den Umkehrstellen der tatsächlichen DMS-Messgitter. Mit dem in Abbildung 2 beschriebenen Punkt erhalten Sie einen Mittelwert aller Dehnungen über die gesamte Messgitterlänge. So ergibt sich der mittlere Ausgabewert für dieses Beispiel.

Wenn Sie darüber nachdenken, wo der DMS auf einem Auflager platziert werden soll, müssen Sie die maximale Festigkeit des Messkörpers berücksichtigen, damit die Last die Dehnungsgrenzen des DMS nicht überschreitet. Darüber hinaus sollte zur Gewährleistung des Genauigkeitsniveaus der mittlere Dehnungsbereich möglichst gleichmäßig sein.

Konfigurationen

Es gibt grundlegende Konfigurationen für das Verändern eines Bauteils in einen aktiven Sensor. Bei einer Biegebalken-Konfiguration wird eine Kraft in eine Stab/Balkenkonstruktion eingeleitet – dabei könnte es sich um einen einfachen Auslegerbalken-Ansatz handeln. Bei Auslegerbalken kommt es zu positiven Dehnungen auf der Ober- und negativen auf der Unterseite. Das ist das Grundprinzip eines Auslegerbalkens. In diesem Beispiel befinden sich zwei aktive Zugkraft-DMS auf der Oberseite und zwei aktive Druckkraft-DMS auf der Unterseite. Diese sind in einer Wheatstone‘schen Brückenschaltung verschaltet, die die das Ausgangssignal für eine eingeleitete Kraft liefert. Sie müssen allerdings Momenteneinflüsse berücksichtigen, oder mit anderen Worten, wenn eine Kraft zu- oder abnimmt oder es sich nicht um eine Punktlast handelt, könnte dies unterschiedliche Auswirkungen haben, da in diesem Beispiel nichts zum Ausgleich von Momenteneinflüssen unternommen wird.

Ein weiteres Beispiel ist die Säulenkonfiguration. Diese wird verwendet, wenn Kraft oder Spannung an einer Säule oder einem Stab betrachtet werden soll. Diese DMS-Konfiguration dient der Messung von axialer Dehnung und Poisson-Effekt unten. Ein anderer Satz dieser DMS wäre auf der gegenüberliegenden Seite in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zusammengeschaltet. In dieser Gleichung entspricht die mechanische Spannung der Kraft über dem Querschnittsbereich, in dem sich die DMS befinden. Bei Drehmomentmessungen in einem Teil, einem Balken oder einer anderen Art von Stab gibt es zwei gegensätzliche Momente und eine Verdrehung des Balkens. Diese Verdrehung kann entlang der Mittelachse mit einer Reihe von Scher-DMS gemessen werden, die die durch das Drehmoment erzeugten 45-Grad-Dehnungen messen. Zu einer Wheatstone'schen Vollbrücke zusammengeschaltet bietet dies den grundlegenden Ansatz zur Drehmomentmessung.

Das letzte Prinzip ist eine Scherstabkonfiguration, ähnlich dem vorher erwähnten Auslegerbalken; in diesem Fall liegt der Vorteil in der Anwendung des Scherprinzips gegenüber einem Biegebalken-Ansatz. Das Scherprinzip der Dehnungsmessung anhand der eingeleiteten Kraft umfasst die Installation der DMS entlang der neutralen Achse des Balkens, wodurch diese Konfiguration unempfindlich gegenüber Momenten wird. Der Lasteinleitungspunkt kann verändert werden, ohne dass sich diese Änderung negativ auf die Ausgabe auswirkt.

Die Grundkonfiguration einer Wheatstone-Brücke kann rhombusartig dargestellt werden (Abbildung 3). Zwischen den Brückeneckpunkten 3 (unten) und 2 (oben) befindet sich der erste aktive DMS. Die beiden Polaritäten sind immer so konfiguriert, dass sie einander gegenüberliegen – entweder zwei Zugkräfte oder zwei Druckkräfte einander gegenüber. Dadurch wird bei Lasteinleitung eine Brückenverstimmung erzeugt - dies ist das Signal, das tatsächlich gemessen wird. In Abbildung 3 ist der TKC-Abgleich dargestellt, bei dem versucht wird, die Wheatstone-Brücke hinsichtlich des Temperatureinflusses auf den Kennwert des Trägermaterials abzugleichen. Die Werkstoffauswahl kann sehr wichtig sein. Ein Strukturbauteil eines Rahmens könnte aus Schmiedeeisen oder einem anderen Werkstoff bestehen, der nicht zur Verwendung als Sensor vorgesehen ist, da er keine federähnlichen Eigenschaften aufweist – legierte Stähle, rostfreie Stähle oder Aluminium wären Werkstoffe in Sensorqualität. Dann können Sie eine Kompensation zum Ausgleich der Effekte des Elastizitätsmoduls einrichten. Beim Anlegen einer Spannung werden sich mit der temperaturabhängigen Änderung des E-Moduls des Werkstoffs (was zu einer Dehnungsänderung führt) diese Bauteile gegensätzlich verhalten und den Temperatureinfluss aus dem Grundwerkstoff kompensieren.

Der andere Aspekt ist der brückeninterne TK0-Abgleich. Hier geht es um den Temperatureinfluss auf den Nullpunkt der Brückenschaltung; sie kann mit einem Werkstoff ausgeführt sein, der diese Änderung ausgleicht. Der Nettoeffekt ist, dass es bei Änderung der Temperatur keine Signaländerung gibt. Im gegenüberliegenden Brückenzweig befindet sich ein Nullsignalabgleich-Netzwerk. Das Netzwerk besteht aus dem gleichen Werkstoff wie die Dehnungsmessstreifen, d.h. aus einer Konstantan-Legierung. Das Netzwerk für den Nullabgleich wird kommt zum Einsatz, da es nach der Installation der DMS und der internen Verschaltung zu einer Nullpunktverstimmung kommen kann. Diese Netzwerke nehmen kein zusätzliches Signal von der Verstärkerschaltung auf, sondern bieten eine Methode zum Nullstellen der Brückenschaltung. Das Nullstellen der Brücke ermöglicht die Nutzung der maximalen Auflösung des verwendeten Verstärkers.

Umwandeln eines Bauteils in einen Sensor

Eine spezifische Problemstellung adressiert das eigentliche Thema: Wie man ein Bauteil in einen Sensor umwandelt (Abbildung 4). In diesem Beispiel hat ein Kunde einen Motor, der über eine Kugelgewindespindel eine Presse treiben soll, um in der darüber dargestellten Kammer einen Arbeitsschritt durchzuführen. Dazu muss der tatsächliche Kraftwert ermittelt werden, da diese Kraft ein kritischer Parameter für den Prozess ist und über einen Regelkreis mittels des Motors geregelt werden muss. Der Übertragungshebel zwischen Antrieb und Vorschub-Element erschien als geeignet diese Kraft zu bestimmen.

Der Kunde möchte eine möglichst genaue Lastmessung mit Temperaturkompensation, um Probleme durch Beeinflussung des Messsignals aufgrund von Temperaturschwankungen zu vermeiden. Es kann nicht gesteuert werden, wie die Lasteinleitung erfolgt – d.h., ob dies immer entlang der Achse geschieht; daher ist Unempfindlichkeit gegenüber Momenten erforderlich. In diesem Fall gibt es wegen eingeschränkter Platzverhältnisse keinen Raum für die Installation eines Standardsensors.

Was nicht gezeigt wird, ist das, was darüber in der oben liegenden Kammer passiert. Es gibt einen sehr kleinen Bereich, der in die Kammer hineinreicht; in dieser Anwendung ist kein Platz für den Einbau eines zusätzlichen Kraftsensors. Das blaue Element wurde als mögliche Lösung identifiziert. Wir begannen mit den vom Kunden bereitgestellten bekannten Lasten, die in den Balken eingeleitet werden sollen. Dann bestimmten wir, wie dieser strategisch zu schwächen wäre, um eine eindeutige Verformung zu erreichen – Dehnung, die wir messen können.

Wir schwächten das Bauteil durch Einlassen einer Durchgangsbohrung, die uns erlaubte, mit der eingeleiteten Last die notwendigen Durchbiegungen zu erzeugen. In Abbildung 5 zeigen die Farben an, dass die negativen und positiven Dehnungen im Inneren des Lochs auftreten, so dass in diesem Loch mit Linear-DMS eine Wheatstone'sche Vollbrückenschaltung erstellt werden kann. Die Konfiguration funktioniert in diesem Fall am besten und ermöglicht es uns, die Genauigkeitsanforderungen des Kunden zu erfüllen. In dieser Bohrung ist auch viel Platz für die Schaltung zur Temperaturkompensation.

Das bestehende Teil ist aus einem sehr einfachen Konstruktionswerkstoff gefertigt. Es wurde nicht auf Sensorqualität ausgelegt oder auf das, was normalerweise für einen Sensor verwendet würde. Ein anderer Werkstoff wurde verwendet, um die erforderlichen federähnlichen Eigenschaften zu liefern. Um daraus einen funktionsfähigen aktiven Sensor zu machen, wurden bis zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) mehrere Iterationen zur Ermittlung der besten Bohrlochgröße durchgeführt.

Abbildung 6 zeigt das Fertigteil aus Aluminium als Werkstoff, das, überzogen mit einer Eloxalschicht zum Schutz, letztendlich eingesetzt wurde. Ein Vollbrücken-Millivolt/Volt-Ausgangssensor wurde so konzipiert, dass er in den vorhandenen Raum passt, und der Sensor insgesamt ist unempfindlich gegenüber Momenten und sieht einen eigenen Abgleich vor. Das Bauteil ist in der Lage, 150 % der ursprünglichen Nennkraft ohne Nullverschiebung oder Nullbewegung zu tragen. Das Teil durchlief anschließend einen Prototypprozess zur Simulation der tatsächlichen Lastbedingungen und vollständigen Prüfung und Kalibrierung.

Zusammenfassung

Als dieser Kunde sich an uns wandte, hoffte er, ein Standardprodukt zu finden, das einfach mit sehr wenig bis gar keinen Änderungen in dieses Bauteil passen würde. Dies war nicht möglich. Durch unsere Arbeit konnten wir jedoch ein vorhandenes Konstruktionselement des Kundensystems nutzen und dieses in kürzester Zeit in den eigentlichen aktiven Sensor umwandeln. Dieser Sensor lieferte dann das gewünschte elektrische Signal für die erforderliche eingeleitete Last, und im Kundensystem waren keine Änderungen erforderlich.

 

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Autor

Randy Hopkins

Director of OEM Sensors bei HBK