Sensoren spielen in der heutigen Welt eine wichtige Rolle. In unterschiedlichen Einsatzfeldern, z. B. in Prüfungen, in der Datenerfassung, in Automatisierung und Qualitätssicherung, werden sie zum Messen vieler verschiedener Messgrößen eingesetzt. Der Markt wächst daher rasch (1) und es finden immer mehr unterschiedliche Aufnehmerprinzipien Anwendung.

Eine mögliche Folge dieses aktuellen Trends hin zu einer größeren Auswahl an Technologien ist, dass neuere Methoden mit großem Enthusiasmus begrüßt werden; man sollte jedoch unbedingt beachten, dass gut eingeführte Technologien durch in Jahrzehnten gesammelte Erfahrung erhebliche Vorteile bieten können.

So basieren zum Beispiel Folien-Dehnungsmessstreifen (DMS) auf bewährter Technologie (2)(3), deren Beherrschung durch den technologischen Fortschritt stetig perfektioniert wurde. Darüber hinaus sind Folien-DMS einfach zu installieren und einzusetzen sowie vom ersten Stück an sehr kostengünstig. Die Vorteile der Folien-DMS überwiegen deutlich deren Nachteile.

Messen mit Folien-Dehnungsmessstreifen

Bei Kraft-, Drehmoment- und Druckmessungen sind Metallfolien-DMS-Aufnehmer weit verbreitet. Der größte Teil der Kraftaufnehmer, ebenso wie Wägezellen, Drehmomentaufnehmer und Ultrahochdruck-Aufnehmer beruht auf diesem Messprinzip und bietet eine große Auswahl unterschiedlichster Messkörper.

Alle Folien-DMS basieren auf einem gemeinsamen Prinzip: sie nutzen positive und negative Dehnung, um mechanische Änderungen in elektrische Signale zu wandeln. An dezidierten Stellen von Messkörpern, auf denen bei Lasteinleitung hohe Dehnungen auftreten, werden Dehnungsmessstreifen aufgebracht, von denen mindestens vier - zwei unter positiver und zwei unter negativer Dehnung - zu einer Wheatstone Brücke verschaltet werden. Diese bildet quasi einen „doppelten Spannungsteiler“ in dem sich die Widerstände so gegenläufig ändern, dass  sich eine „Diagonalspannung“ näherungsweise proportional zur Verformung des Federkörpers ergibt.

Abb. 1: Dehnungsmessstreifen werden zu einer Wheatstone Brücke verschaltet und liefern ein Ausgangsspannungssignal, anhand dessen ganz einfach jede Art von Verformung gemessen werden kann.

Das Ausgangssignal wird als Verhältnis von Versorgungsspannung zu Ausgangsspannung angegeben. Dieses lässt sich berechnen durch: 

Dabei erlauben Folien-DMS-Aufnehmer die höchste Genauigkeit für das Bestimmen mechanischer Größen. Gleichzeitig sind sie die beste Wahl, wenn es darum geht, kleinste Messunsicherheiten zu erzielen.

Will man gleichzeitig auch eine hohe Dynamik sicherstellen, müssen die Dehnungszonen so klein wie möglich angelegt werden, um hohe Steifigkeiten sicherzustellen (4)(5)(6).

Die für die Arbeit mit Dehnungsmessstreifen verwendete Technologie ist derart gefestigt, dass man bei Verwendung dieser der eigentlichen Messaufgabe volle Aufmerksamkeit gewidmet werden kann.

Anders als die für hohe Nennlasten schnell an Grenzen stoßenden alternativen Messprinzipien, können Aufnehmer nach dem Folien-DMS-Prinzip  für fast beliebig hohe Nennlasten konstruiert werden, einfach indem der Messkörper auf den sie aufgebracht werden, entsprechend größer dimensioniert wird. Beispiele dafür sind Kraftaufnehmer im MN-, Drehmomentaufnehmer im MNm-  oder Ultrahochdruck-Aufnehmer im GPa-Bereich (7).

Sieht man sich die Druckaufnehmer zum Messen von hydrostatischem Druck genauer an fällt auf, dass die Auswahl an Aufnehmerprinzipien größer ist als bei anderen mechanischen Größen. In Anwendungen im Bereich niedrigerer Drücke, die den größten Anteil dieses Marktes ausmachen, setzt man üblicherweise auf Lösungen, die auf kapazitiver oder piezoresistiver Mikrosystemtechnik (MEMS) basieren, insbesondere, wenn es um das Messen niedriger Drücke von wenigen Bar geht. Von besonderer Bedeutung beim Messen hoher Drücke ist die Überlastfestigkeit, was Lösungen, die auf kapazitiver oder piezoresistiver Mikrosystemtechnik basieren quasi ausschließt - wenngleich in den letzten Jahren mit neueren Bauformen gewisse Fortschritte erzielt wurden.

Abbildung 2 zeigt einen Vergleich unterschiedlicher DMS-Technologien und ihrer Eignung für Druckmessungen unter verschiedenen Aspekten.

Abbildung 2: Vergleich verschiedener Technologien für Druckmessungen (8)

Bei genauer Betrachtung der Tabelle ergibt sich, dass DMS-basierte Ultrahochdruck-Aufnehmer die beste Lösung sind, wenn sehr hohe Genauigkeit und Langzeitstabilität gefordert sind. Das ist von besonderer Bedeutung, wenn man mit sogenannten Referenzaufnehmern die Ergebnisse unterschiedlicher nationaler Metrologie-Institute in verschiedenen Ländern vergleicht (9).

Ähnliche Analysen unterschiedlicher Prinzipien können für jede andere Messgröße durchgeführt werden. Dies geschieht am besten bereits während des Entwurfs einer für eine bestimmte Messaufgabe optimierten Messkette, da das gewählte Aufnehmerprinzip die Schnittstelle zwischen dem  zu untersuchenden Prozess und der weiteren Verarbeitung des Messsignals (z. B. durch Verstärker und Software) darstellt.

Fazit

DMS-Aufnehmer bieten extrem hohe Genauigkeit, sehr gute Langzeitstabilität und eine gute Bandbreite für schnelle Messungen. DMS-Aufnehmer sind die beste Wahl für die meisten großen industriellen Messaufgaben, aber eben auch für individuelle und Einzellösungen, insbesondere für Messungen mit hoher Präzision. Die hohen Genauigkeiten ermöglichen die Rückführbarkeit mechanischer Größen auf nationaler und internationaler Ebene (10)(11)(12).

In weiter verbreiteten Anwendungen haben die Folien-basierten DMS aufgrund ihrer Einfachheit und niedrigen Kosten einen wesentlichen Anteil am Kernmarkt, zum Beispiel in allen Arten von Wägezellen, die von der Ladentisch- bis zur LKW-Waage eingesetzt werden.

Kommt man auf die Bedeutung der Dehnungsmessstreifen zurück, so leisten diese einen entscheidenden Beitrag für die industrielle Entwicklung sowohl von entwickelten als auch von aufstrebenden Märkten.

Literaturhinweise

[1] Survey “World Emerging Sensors Markets”, Sensors & Instrumentation, No. M678-01, Frost and Sullivan, 23 Mar 2011, USA

[2] A. C. Ruge “Strain response apparatus” Patent application no. 2322319 to the United States Patent Office; 16. Sept. 1939, approved 22. June1943

[3] K. Hoffmann “An Introduction to Measurements using Strain Gauges” Publisher Hottinger Baldwin Messtechnik , Darmstadt, Germany

[4] A. Schäfer, “Analogy observation of force transducers compared to strain and pressure transducers based on foil type strain gauges and the piezoelectric principle“, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[5] A. Schäfer, “Force, strain and pressure transducers based on Foil Type strain gauges as well as the piezoelectric principle for the use in industrial applications” Proceedings of “Eurosensors 2008”, Dresden, Germany, 2008

[6] T. Kleckers “Force sensors based on strain gages and piezoelectric crystal-based force transducers in mechatronic systems — a comparison” Proceedings of "Sensor+Test" Conference, Nürnberg, 2011

[7] A. Schäfer, et al. “A new type of transducer for accurate and dynamic pressure measurement up to 15000 bar  using foil type strain gauges”, XVII IMEKO World Congress 2003, Metrology in the 3rd Millennium, Dubrovnik, Croatia

[8] T. Kobata; W. Sabuga et al “Final Report on Supplementary Comparison APMP.M.P-S8 in Hydraulic Gauge Pressure from 100 MPa to 1000 MPa”, The Asia-Pacific Metrology Programme (APMP) and the European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) 1000 MPa , Hydraulic pressure inter-laboratory comparation, 2010

[9] A. Schäfer “Answers to the need of higher orders of magnitude for pressure, force and torque measurement explained on the example of wind energy” IEEE I2MTC Conference, Mai 2012, Graz, Austria

[10] A. Schäfer, Examples and proposed solutions regarding the growing importance of calibration of high nominal forces IMEKO 2010 TC3, TC5 and TC22 Conferences, November 2225, 2010, Pattaya, Chonburi, Thailand

[11] H. Gang, Z. Zhang and Y. Zhang „Internal Large Force Comparison in China”, Mechanics and Acoustics Division, National Institute of Metrology, Beijing, P. R. China, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[12] P.D. Hohmann and A. Schäfer, “Combined Calibration of Torque and Force in a 3 in 1 Calibration unit”, “APMF 2000”, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, pp. 204, Tsukuba, Japan, 2000

Dehnungsmessstreifen von HBM

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