Elektrische Dehnungsmessstreifen: Das müssen Sie wissen

Der Aufbau

Grundsätzlich bestehen klassische Dehnungsmessstreifen (abgekürzt: DMS) aus einer Folie und einem elektrischen Leiter. Warum klassisch? Neue Technologien haben auch bei DMS Einzug gehalten, zum Beispiel die optischen Faser-Bragg-Sensoren, die grundlegend anders funktionieren. Mit klassisch sind hier die elektrischen Folien-DMS gemeint.

Um den Aufbau eines DMS zu verstehen, hilft es, sich seinen Entstehungsprozess vorzustellen, hier am Beispiel eines Standard-Modells: Die Basis bildet eine Folie aus Polyimid. Darauf wird eine Lage Konstantan aufgebracht. Konstantan ist ein elektrischer Leiter. Mithilfe einer Schablone werden alle Bereiche weggeätzt, die später nicht leiten sollen. Was bleibt, ist ein hauchfeines Messgitter aus Konstantan, fest verbunden mit der Trägerfolie.

Das Messgitter besteht aus mehreren mäanderförmig angeordneten sogenannten Stegen, die aussehen wie schlangenlinienartige Windungen.  

Aufbau eines gewöhnlichen Dehnungsmessstreifens.

Übrigens

Für diesen Artikel hat Jens Boersch (erst Produktmanager für Dehnungsmessstreifen bei HBM, jetzt Teamleiter im Produktmanagement) erklärt, wie diese funktionieren.

Was Dehnungsmessstreifen für ihn besonders macht:

„Sie stehen nicht im Fokus, stecken aber überall drin.“

Die Funktionsweise

„Dehnungsmessstreifen messen Dehnung, aber eigentlich interessiert uns die mechanische Spannung“, erklärt Produktmanager Jens Boersch. Die mechanische Spannung beschreibt,  wie stark ein Material durch innere und äußere Kräfte beansprucht wird. Dabei entscheidend ist auch, an welchen Stellen und mit welcher Intensität diese Kräfte auf das Material einwirken. Diese Untersuchungen gehören zum Anwendungsbereich experimentelle Spannungsanalyse (kurz: ESA).

Wird ein Dehnungsmessstreifen gestaucht, verringert sich sein elektrischer Widerstand (Ω), wird er gestreckt, vergrößert sich der Widerstand.

DMS werden dazu in der Regel an verschiedenen Stellen auf den zu untersuchenden Materialien befestigt und per Kabel an einen Messverstärker angeschlossen. Wird der Dehnungsmessstreifen gestreckt oder gestaucht, ändert sich der elektrische Widerstand des Messgitters. Anschaulich erklärt: Wird das Messgitter gestreckt, muss der Strom einen weiteren Weg zurücklegen – und zusätzlich wird der Durchgang auch noch dünner, was ebenfalls eine Erhöhung des Widerstandes hervorruft. Aus dieser Widerstandsänderung lässt sich die Dehnung des DMS ableiten, die in µm/m angegeben wird. Mit Dehnung kann übrigens immer auch eine Stauchung, das heißt eine negative Dehnung, gemeint sein. Dabei würde sich der Widerstand entsprechend verringern.

Die Dehnung ist allerdings nicht die mechanische Spannung. Um die zu erfahren, müssen vor allem zwei wichtige Punkte beachtet werden:

Temperatur-Koeffizient α des Materials

Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, verändert sich auch das Material. Diese Veränderung wird mit dem Temperaturkoeffizienten α bezeichnet. Beispiel: Wird ein Stahlzylinder erwärmt, dehnt er sich aus – und mit ihm der DMS, der darauf klebt. „Genau diese temperaturabhängige Materialdehnung wollen wir nicht messen“, sagt Jens Boersch. Um diesen Effekt auszugleichen, werden DMS speziell auf ein bestimmtes Material abgestimmt und so entwickelt, dass sie ein genau entgegengesetztes Temperaturverhalten zeigen. Am Schluss gleichen sich die beiden Effekte aus, die Materialdehnung wird damit kompensiert und der Dehnungsmessstreifen misst nur, was er messen soll: Die Dehnung, die durch die äußere Materialbelastung hervorgerufen wird. Man spricht daher von einem selbstkompensierenden DMS.

Elastizitätsmodul (E-Modul)

Wird ein Material belastet, herrscht darin eine mechanische Spannung. Die mechanische Spannung ist die Kraft pro Fläche. Wie aber hängt diese mit der Dehnung zusammen, die der Dehnungsmessstreifen erfasst? Dieser Zusammenhang lässt sich in Form einer Kennlinie für verschiedene Materialien bestimmen, indem Materialproben kontrolliert belastet werden. Im Allgemeinen gilt, dass mit steigender mechanischer Spannung auch die Dehnung zunimmt. Zunächst ist dieser Zusammenhang linear. Man spricht vom elastischen Bereich und der Zusammenhang wird durch den E-Modul beschrieben.

Ab einem gewissen Punkt wird das Material durch die einwirkende Kraft allerdings so stark verformt, dass es nicht mehr in seinen Ausgangszustand zurückkehren kann. Man spricht von einer plastischen Verformung bis hin zum Bruch des Materials. Für die experimentelle Spannungsanalyse ist aber nur der lineare Bereich interessant, wo keine plastische Verformung stattfindet.

Wenn der E-Modul für das jeweilige Material bekannt ist, kann anhand der Dehnung die mechanische Spannung bestimmt werden: Das Ziel der DMS-Messungen.

Diese DMS-Geometrie (T-Rosette) wäre zum Beispiel dafür geeignet, zweiachsige Spannungszustände mit bekannter Spannungsrichtung zu messen.

Wie unterscheiden sich Dehnungsmessstreifen voneinander?

„Bei Dehnungsmessstreifen gibt es einige wichtige Unterscheidungsmerkmale: Vor allem die Geometrie, die Messgitterlänge und die Temperaturanpassung.“

– Jens Boersch

Allein bei HBM gibt es über 2500 verschiedene Typen von Dehnungsmesstreifen. Je nach Anwendung werden unterschiedliche Typen gewählt.

Was sie unterscheidet, sind unter anderem folgende wichtige Merkmale:

  • Geometrie
  • Messgitterlänge
  • Temperaturanpassung

Geometrie

Bei der Geometrie eines Dehnungsmessstreifens geht es um die Anzahl und Ausrichtung seiner Messgitter. Je nach Materialbelastung können verschiedene sogenannte Spannungszustände auftreten, die erfasst werden sollen: Bei ein-achsigen Spannungszuständen gibt es nur eine bekannte Spannungsrichtung. Also: Klarer Fall. Hier reicht ein Messgitter aus, das entsprechend der Hauptspannungsrichtung ausgerichtet wird.

Bei zweiachsigen Spannungszuständen treten mehrere Spannungsrichtungen gemeinsam auf, zum Beispiel Zug, Druck, Biegen oder Torsion. Dabei kann es auch vorkommen, dass dem Messtechniker die Richtung der Hauptspannung nicht bekannt ist. Für solche Fälle gibt es DMS mit drei Messgittern, die unterschiedlich ausgerichtet sind. So lassen sich sowohl die Größe der ersten und zweiten Hauptspannung als auch deren Richtung ermitteln.

Messgitterlänge

Je nach Material und Messanwendung spielt die Messgitterlänge eine Rolle: Zum Beispiel, wenn es darum geht, sehr genau den Spannungsverlauf (Spannungsgradienten) in einem Werkstück zu messen. Dann ist es besser, viele kurze Messgitter nebeneinander aufzubringen, um ein feines Raster zu bekommen oder eine Schlüsselstelle genau zu analysieren. Ist eher die allgemeine Belastung (Mittelwert) wichtig, reicht ein längeres Messgitter aus.

Genauso stellen verschiedene Oberflächenstrukturen eine Herausforderung dar: Beton etwa ist uneben und es sind kleine Kiesel darin eingeschlossen. Ist hier das Messgitter zu kurz, können solche Einschlüsse das Messergebnis verfälschen, da sich um sie herum ein eigenes, kleines Spannungsfeld aufbaut. Um das zu vermeiden, würde man hier ein längeres Messgitter wählen: Die gemessene Spannung wird über die Länge des Messgitters gemittelt.

Temperaturanpassung

Die Temperaturanpassung von Dehnungsmessstreifen für ein bestimmtes Material sorgt – wie oben beschrieben – dafür, dass die temperaturbedingte Materialdehnung kompensiert wird. Deshalb ist es wichtig, den für das Material passenden DMS auszuwählen.

Weitere Auswahlkriterien

Neben den drei genannten Merkmalen gibt es noch einige weitere, die hier nur kurz erwähnt werden sollen: Dehnungsmessstreifen sind in der Regel mit verschiedenen gängigen Widerständen (z.B. 120, 350 oder 1000 Ohm) erhältlich. Welcher der richtige ist, hängt oft mit dem Randbedingungen der Messung zusammen, zum Beispiel den im Messverstärker auswählbaren Ergänzungswiderständen oder auch den zu erwarteten Störimpulsen. Außerdem können das Trägermaterial, das Leitermaterial oder die Anschlussart variieren. Manche DMS können vorverkabelt geliefert werden, andere müssen jeweils selbst verlötet werden. Mit vorverkabelten DMS fallen weniger Zeit und damit Kosten für den Versuchsaufbau an.

Dehnungsmessstreifen im Einsatz

Damit Dehnungsmessstreifen richtig funktionieren, müssen einige Grundvoraussetzungen erfüllt sein: Am wichtigsten ist, dass sie sehr fest mit dem Material verbunden sind und jede Materialdehnung auch wirklich mitmachen. Meist werden DMS deswegen mit einem sehr spröden Kleber geklebt, manchmal aber auch geschweißt. Bei der Kleberauswahl gibt es ebenfalls einiges zu beachten, denn natürlich ändert auch der Kleber seine Konsistenz bei Temperaturschwankungen. Das Aufbringen der DMS auf das Material wird „installieren“ genannt und ist eine kleine Wissenschaft für sich: Es darf zum Beispiel keine Luftblase zwischen DMS und Material oder DMS und Kleber geraten.

DMS alleine sind aber praktisch nutzlos: „Die Widerstandsänderungen sind so winzig, dass sie immer verstärkt werden müssen, um überhaupt gemessen zu werden“, erklärt Jens Boersch. Diese Aufgabe übernehmen Messverstärker, die es in vielen Varianten für unterschiedliche Anwendungen gibt.

Anwendungsgebiete

Für Dehnungsmessstreifen gibt es zwei Hauptanwendungsgebiete: Entweder werden sie im Aufnehmerbau verwendet oder bei der Prüfung der Betriebsfestigkeit. Der Aufnehmerbau ist ein Thema für sich, denn die Zielsetzung ist anders: Zum Beispiel ist wichtig, dass das Material des Aufnehmers möglichst nicht ermüdet. Die DMS dienen dazu, die einwirkenden physikalischen Größen wie Kraft oder Drehmoment zu messen.

Die Materialermüdung (die ja beim Aufnehmerbau möglichst keine Rolle spielen soll) steht hingegen bei der experimentellen Spannungsanalyse im Mittelpunkt. Produktmanager Jens Boersch: „Die Frage ist: Wann macht das Material bei einer konstanten Belastung schlapp?“ Simuliert werden solche Belastungen durch Testzyklen, bei denen das Material wieder und wieder beansprucht wird. Die Belastung ist dabei normalerweise so gering, dass das Material nicht sofort zerstört wird. Sie bewegt sich also, wie oben erklärt, in dem elastischen Bereich, wo Dehnung und mechanische Spannung noch linear voneinander abhängen.

Interessant ist diese Frage nach der Materialermüdung in vielen Bereichen: Beim Testen von Fahrzeugbauteilen, Infrastrukturanlagen wie Brücken oder Schienen, selbst bei elektrischen Leiterplatten und Platinen. Um herauszufinden, ob die nötige Betriebsfestigkeit gegeben ist, damit die Bauteile den erwarteten Belastungen standhalten, werden sie auf Herz und Nieren geprüft.

Anwendungsbeispiel 1: Ermüdungstests an Flugzeugstrukturen.
Anwendungsbeispiel 2: Aufnehmerbau - hier einer Biegestabwägezelle.
Anwendungsbeispiel 3: Tests von Infrastrukturanlagen, z.B. Brücken

Für die getesteten Materialien ist die Ermüdungskurve aus Laborversuchen bekannt. Es ist also absehbar, bei wie vielen Testzyklen mit welcher Belastung das Material nachgeben wird. Mit jeder Last verkürzt sich das Materialleben. Je mehr Autos also zum Beispiel über eine Brücke fahren, desto näher kommt der Punkt, an dem irgendeines ihrer Bauteile Schaden nimmt. Je stärker die Belastungen sind, desto weniger Zyklen kann das Material aushalten. LKWs setzen der Brücke also heftiger zu als Kleinwagen.

„Spannend ist die Frage: Welche Belastung wird das Material in der Realität tatsächlich abbekommen“, sagt Jens Boersch. „Diese Frage steht auch im Mittelpunkt einer der Anwendungen, die ich besonders faszinierend fand. Es ging dabei um die Einschätzung, wie lange eine Eisenbahnbrücke noch halten würde. Sie war zum Zeitpunkt der Tests aber schon Jahrzehnte in Betrieb. Tatsächlich konnten die Betreiber der Strecke durch alte Unterlagen sehr genau nachvollziehen, wie viele Züge in diesen ganzen Jahren mit welchem Gewicht über die Brücke gefahren sind. Das war ziemlich spannend.“

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