Optimierung des Wechsellastverhaltens elektrischer Folien-Dehnungsmessstreifen

Das Wechsellastverhalten elektrischer Dehnungsmessstreifen ist ein Thema, das häufig zu Missverständnissen führt. Einige unserer Kunden stellen Fragen wie „Welche Lastamplitude hält ein Dehnungsmessstreifen aus?“ und „Welche maximale Dehnungsamplitude ist für welche Lastspielzahlen zulässig?“ Werkstoffe werden stabiler (Verbundwerkstoffe) und erfordern strapazierfähige Dehnungsmessstreifen (DMS) für die Betriebsfestigkeitsprüfung.

Elektrische DMS sind eine bewährte Sensortechnologie, die in vielen Prüfungen in unterschiedlichsten Branchen eingesetzt wird, beispielsweise in statischen Belastungsprüfungen, der Materialermüdungsprüfung in Bauteiltests und in Gesamtsystemen oder auch in mobilen Tests. In diesem Zusammenhang werden Werkstoffe und Bauteile entwickelt und verbessert, sodass sie in ihren Grenzbereichen eingesetzt werden können.

In diesen Prüfungen müssen Komponenten und Systeme regelmäßig untersucht werden - als Bauteile oder komplette Produkte in Prüfmaschinen - oder in mobilen Tests, um sicherzustellen, dass es zu keinem Ausfall während des Betriebs kommt.

Der unerwartete Ausfall von Dehnungsmessstreifen während der Betriebsfestigkeitsprüfung kann später erheblichen Zusatzaufwand und Kosten verursachen. Es ist daher wichtig zu wissen, wie viele Lastwechsel ein DMS aushalten und welche Messgenauigkeit erreicht werden kann.

Einer der begrenzenden Faktoren ist der Werkstoff, der für elektrische Folien-DMS verwendet wird. Zu den wichtigsten Bauteilen eines Folien-DMS gehört das Messgitter aus Metall.  Das mäanderförmige Metallgitter wird bei Belastung bewusst verformt, um eine Widerstandsänderung zu erreichen. Diese Änderung des Ohmschen Widerstands wird in der Wheatstoneschen Brückenschaltung als Spannungsänderung erkannt. 

 

Für elektrische Dehnungsmessstreifen häufig eingesetzte Werkstoffe sind Konstantan oder CrNi (Modco). Konstantan und Modco als metallische Werkstoffe haben Ähnlichkeiten mit anderen zumeist als Konstruktionswerkstoffen bekannten Materialien wie Stahl und Aluminium. Metalle können einen einen linear-plastischen und einen plastischen Verformungsbereich aufweisen. Die Abbildung unten zeigt das Verhalten von Stahl im Hinblick auf Spannung und Dehnung.  Wird ein Werkstoff nur im linear-elastischen Bereich verformt, ist die Verformung des Materials reversibel.  Bei Beanspruchung eines Werkstoffs über die Streckgrenze hinaus wird das Material plastisch verformt. Wirkt in diesem Bereich eine bestimmte mechanische Dehnung auf den Werkstoff, nimmt er bei Entfernen der Belastung nicht wieder seine ursprüngliche Form an – das Material ist irreversibel plastisch verformt. Dieses typische, für Stahl bekannte Werkstoffverhalten gibt es auch bei den Werkstoffen, die für Folien-DMS verwendet werden!

Leider kann die Streck/Elastizitätsgrenze nicht unendlich erweitert werden. Dies ist einer der Gründe, warum die Dauerfestigkeit elektrischer Dehnungsmessstreifen begrenzt ist.

Diese Grafik lässt folgenden Schluss zu: Wie lange ein Folien-DMS eine Prüfung übersteht ist abhängig davon wie er belastet wird. Kleinere Lastamplituden im linear-elastischen Bereich erhöhen die Dauerfestigkeit, da die Materialverformung reversibel ist. Größere Amplituden sind kritischer und das Überschreiten höherer Dehnungen bedeutet bei DMS, eine deutliche Beschränkung der Lebensdauer.

Die folgenden Abbildungen zeigen wie dies in einer mechanischen Prüfung aussehen könnte.

 

Wird eine statische Belastungsprüfung durchgeführt (1.) und der DMS ausschließlich in eine Richtung (Zug oder Druck) gedehnt, so kann die Streckgrenze des Gittermaterials überschritten werden. Er liefert immer noch einen gültigen Messwert im Bereich der plastischen Verformung. Die Maximalwerte für elektrische DMS sind in der PDF-Version des DMS-Katalogs als absolute Dehnung angegeben. Die Werte für Zug und Druck sind separat spezifiziert.  Mit den Folien-DMS von HBM sind für diese Prüfungen hohe Dehnungen zwischen 1 % und 10 % möglich.

 

Wenn der DMS in einer dynamischen Belastungsprüfung verwendet wird (2.), d.h. mit Dehnung in wechselnden Richtungen (Zug und Druck), ist ein Überschreiten der Streckgrenze des Gitterwerkstoffs nicht zulässig. Die maximal zulässigen Werte sind ebenfalls im DMS-Katalog als Dauerschwingverhalten spezifiziert. Die Dauerfestigkeit beinhaltet die maximal zulässige Amplitude abhängig von der Lastwechselzahl und der Toleranz der Nullpunktdrift des Signals. Bei Prüfungen der Dauerfestigkeit von DMS bei HBM wird in beide Richtungen getestet (Zug und Druck).

Ein Belastungszyklus entspricht 1 x Zug und 1 x Druck bei der spezifizierten Amplitude.

Absolute Dehnung

Statische Dehnung heißt, dass der DMS in seiner Lebensdauer nur ein einziges Mal mit der spezifizierten Dehnung in eine Richtung belastet werden kann. Wird die spezifizierte Grenze überschritten, wird der DMS mit hoher Wahrscheinlichkeit beschädigt.

 

Die folgende Abbildung zeigt die zu erwartende maximale statische Dehnung mit verschiedenen DMS unterschiedlicher Serien.

 

Dauerfestigkeit (Dynamische Prüfung)

Ein Folien-DMS, der in einem dynamischen Test mehrfach wechselseitig belastet wird, zeigt eine starke Korrelation zwischen der Lastwechselzahl und der Lastamplitude.  Hohe auf den Messgitterwerkstoff wirkende Dehnungsamplituden können eine plastische Verformung verursachen, die man beispielsweise an einem Nullpunktdrift des Signals oder dem kompletten Signalverlust erkennt. In diesem Fall kann die Lastwechselzahl deutlich kleiner sein. Die Korrelation zwischen Lastamplitude und Lastwechseln ist nicht linear.

Das Dauerschwingverhalten jedes Folien-DMS ist in der PDF-Version des DMS-Katalogs spezifiziert.

Wie erkenne ich, dass mein DMS seine Wechsellastfähigkeit überschritten hat?

1. Nullpunktdrift des Dehnungssignals (verursacht durch dauerhafte Widerstandsänderung).

2. Dauerhafte Änderung des K-Faktors

Eine dauerhafte Änderung des k-Faktors ist ebenfalls ein klarer Indikator dafür, dass der DMS beschädigt wurde.

Wie erkenne ich, dass mein DMS seine Wechsellastfähigkeit überschritten hat?

3. Unterbrochenes Messsignal

Risse im Messgitter werden durch ein unterbrochenes Sinussignal sichtbar. Während der Wechselbelastung öffnen und schließen sich kleine Risse und das Signal geht verloren. Das elektrische Signal ist also nur teilweise verbunden.

4. Sichtbare Unregelmäßigkeiten

Außerdem zeigen sichtbare Risse und Unregelmäßigkeiten im DMS oder der Lötverbindung, dass der DMS beschädigt ist.

Das Wechsellastverhalten von Dehnungsmessstreifen von HBM

Die folgende Abbildung zeigt die Dauerfestigkeit elektrischer Dehnungsmessstreifen für Lastspielzahlen zwischen 1000 und 10.000.000 für DMS der Serien Y und M. Die maximal erreichbaren Werte sind abhängig von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise der Installationsqualität.

  • Die Korrelation zwischen Lastwechselzahl und maximaler Lastamplitude ist keinesfalls linear (logarithmische Skalierung).
  • Alle Werte sind Mittelwerte einer statischen Prüfung
  • Eine spezifische Nullpunktdrift wird für alle Messwerte toleriert (siehe PDF-Version des DMS-Katalogs)
  • Mit der Serie M von HBM können sogar 100.000.000 (100 Mio.) Lastwechsel mit einer Lastamplitude von 1000 µm/m erreicht werden.
  • Die folgende Darstellung setzt voraus, dass die Lastamplitude konstant ist sowie ein Lastspiel aus einer jeweils positiven und einer negativen Lastamplitude zusammensetzt.

Messungen mit elektrischen DMS mit größeren Amplituden (>4000 µm/m) zeigen eine weitere Verminderung der zulässigen Lastwechselzahl bevor das Signal eine signifikante Nullpunktverschiebung zeigt. Untersuchungen bei wirklich hohen Amplituden zeigen, dass die Lastwechselzahl deutlich kleiner wird.  Verwendet man beispielsweise DMS der Serie M nur für eine Schwellfestigkeitsprüfung mit +5200 µm/m, reduziert dies die Prüfung auf 1000 Zyklen. Eine Prüfung mit +7000 µm/m verringert die Anzahl der Prüfzyklen auf 100.

Für Prüfungen höherer Lastamplituden bei höheren Lastwechselzahlen empfehlen wir auch die Verwendung optischer Dehnungsmessstreifen.

 

Wie kann ich die Wechsellastfähigkeit von Dehnungsmessstreifen maximieren?

1. Minimieren Sie die Lötmittelmenge am Lötstützpunkt/Lötpad

Versteifte Bereiche mit Lötmittel sind die kritischsten Stellen, an denen es bevorzugt zu Ausfällen kommen kann, wenn sie mit statischer oder dynamischer Belastung beaufschlagt werden. Professionelles Löten mit so wenig Lot wie möglich am Lötstützpunkt/Lötpad verringert die Steifigkeit und erhöht die Wechsellastfähigkeit.

2. Löten Sie das Kabel in einem Winkel von 90 Grad zur Dehnungsrichtung

Eine möglichst kleine Kontaktfläche auf dem Lötstützpunkt erhöht die Dauerfestigkeit.

3. Verwenden Sie Kabel/Litzen aus hochflexiblen Werkstoffen

Mit dem Lötstützpunkt verbundene Kabel sind Teil des mechanischen Systems. Die Verwendung steifer Kabel mit großem Durchmesser erhöht die Steifigkeit an den jeweiligen Stellen. Die Steifigkeit kann durch den Einsatz flexibler Drähte mit dünnem Durchmesser verringert werden.

4. Verwenden Sie Dehnungsmessstreifen mit externen Lötstützpunkten

Der Einsatz externer Lötstützpunkte ermöglicht die Verwendung von Dehnungsmessstreifen mit Anschlussbändchen. DMS mit Anschlussbändchen bieten das höchste Maß an Flexibilität. Auf dem DMS selbst sammelt sich kein Lötmittel an. Das Lot verlagert sich zum Lötstützpunkt hin.

5. Vermeiden Sie den Einsatz von Abdeckmitteln

Es sollten ebenfalls keine Abdeckmittel eingesetzt werden, wenn eine maximale Dauerfestigkeit erreicht werden soll. Da es zu Wechselwirkungen zwischen Abdeckmitteln und DMS kommt, kann sich dadurch die mechanische Spannung an bestimmten Stellen erhöhen.

6. Große Messgitter verwenden

Ein größerer Messgitterbereich erhöht die Dauerfestigkeit (verwenden Sie beispielsweise 6-mm-Messgitter anstelle von 3-mm-Messgittern).

7. Stellen Sie eine hohe Qualität der Klebung sicher

Verwenden Sie dünnflüssige Klebstoffe wie Z70 oder EP310N.

8. Setzen Sie gekapselte DMS ein (Standard bei den meisten DMS von HBM)

9. Verwenden Sie spezielle DMS für Wechsellasttests

Die Serie M von HBM wurde speziell für Prüfungen mit Werkstoffen mit hoher Dauerfestigkeit entwickelt. Sie verfügen über ein äußerst widerstandsfähiges Messgittermaterial (Modco) und eine spezielle Trägerfolie (Phenolharz). Zusätzlich haben sie eine integrierte Zugentlastung, die die Lötflächen vom Messgitter stark entkoppeln.

 

Serie M von HBM

  • Speziell für Werkstoffe mit hoher Dauerfestigkeit entwickelt
  • Trägerfolie aus glasfaserverstärktem Phenolharz
  • Erhältlich mit 350 und 1000 Ohm Widerstand
  • Integrierte Zugentlastung
  • Gebrauchstemperatur -200 bis 300 °C
  • Verfügbar in verschiedenen Varianten

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