Anschlusskabel für Anwendungen mit elektrischen Folien-DMS für Strukturtests/Betriebsfestigkeitsmessungen

Es gibt viele Kabel am Markt, die für Anwendungen mit Dehnungsmessstreifen (DMS) verwendet werden können.

Der Erfolg einer Messung ist abhängig von den richtigen Anschlusskabeln. Sie müssen nicht nur die Messsignale vom Sensor zum Datenerfassungssystem übertragen, sondern auch während ihres Einsatzes Störsignale vermeiden und Beanspruchungen standhalten.

Im Idealfall sollte das Kabel die Dehnungsmessung nicht beeinflussen. In der Praxis könnten Kabel/Drähte jedoch einen Einfluss auf das Messsignal haben. Die Kabeleinflüsse können auf ein akzeptables Maß minimiert werden. HBM bietet eine große Auswahl unterschiedlicher Messkabel und dünner Drähte für einen breiten Anwendungsbereich.  Bei der Auswahl des richtigen Kabels für Ihre Anwendung sind einige wichtige Punkte zu beachten:

Für DMS-Anwendungen werden vorwiegend verzinnte Litzen (aus Einzeldrähten bestehende elektrische Leiter) verwendet. Üblicherweise werden Kupferleiter als Drähte eingesetzt (am weitesten verbreiteter Standard aufgrund des guten Verhältnisses von Preis zu Leitvermögen).

Das Dehnungsmesssignal in einer Viertelbrücken-Schaltung weist eine sehr hohe Empfindlichkeit auf:

  • Eine typische Speisespannung für eine DMS-Viertelbrücke liegt bei 2,5 V
  • Eine in den DMS eingeleitete Dehnung erzeugt eine Brückenausgangsspannung, die relativ niedrig ist!

(0,000125 V für 100 µm/m Dehnung bzw. 0,0025 V für 2000 µm/m Dehnung). In den untenstehenden Grafiken ist dies für eine typische Viertelbrücken-Anwendung dargestellt.

Dieses Messspannungssignal darf nicht durch externe Signale beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund ist es unbedingt erforderlich, das richtige Messkabel zu verwenden!

Brückenspannungs-Ausgangssignal bei 100 µm/m Dehnungssignal. Die Brückenspeisespannung (rot) ist sehr klein im Vergleich zur Speisespannng (blau):


1. Funktion von Messkabeln

Verbindung zwischen Sensor und Verstärker

  • Spannungsversorgung zur Speisung der DMS-Schaltung
  • Übertragung des Messsignals vom Sensor zum Datenerfassungssystem
  • Schutzfunktion gegen externe Störungen

2. Störungen/Einflüsse auf das Messkabel


3. Die Anforderungen an ein Kabel für DMS-Anwendungen auf einen Blick

  1. Niedriger Widerstand (allgemein) und geringe elektrische Kapazität
  2. Gute Isolierung
  3. Guter mechanischer Schutz
  4. Gute Handhabbarkeit (Flexibilität)
  5. Passender Gebrauchstemperaturbereich und geringer Einfluss von Temperaturänderungen
  6. Gute Lötbarkeit der Drähte
  7. Sicherheitsanforderungen (flammwidrig, etc.)
  8. Mechanische Robustheit
  9. Robustheit gegenüber unterschiedlichen Medien (Wasser, Öl, Lösungsmittel, etc.)

4. Umgebungsanforderungen an Kabel:

Die Schutzbeschichtung und die isolierende Beschichtung der Drähte haben einen Einfluss auf den Temperaturbereich, dem sie ausgesetzt werden können. Das folgende Diagramm zeigt den typischen Temperaturbereich für Kabel abhängig von ihrer Beschichtung.

  • Für die meisten Anwendungen sind PVC-isolierte Kabel geeignet; sie bieten ein ausgezeichnetes Preis/Leistungs-Verhältnis (bis 80 °C)

  • Für mittlere Temperaturen sind TPE-Kabel eine gute Wahl (bis 150 °C)

  • Für höhere Temperaturen empfehlen wir den Einsatz von PFA-Kabeln (bis 250 °C) oder Kabeln mit Polyimid-Beschichtung (>300 °C)

  • Bei niedrigen Temperaturen können Standardkabel spröde werden. Dies ist besonders kritisch, wenn sie in dynamischen Testumgebungen verwendet werden. In diesem Fall wird der Einsatz von Kabeln mit PTFE-, PI- oder Glasfasermantel empfohlen.

Es gibt viele weitere Anforderungen an Kabel wie beispielsweise Widerstandsfähigkeit gegenüber unterschiedlichen Flüssigkeiten und Entflammbarkeit. Die folgende Tabelle bietet einen Überblick über typische Kabelmäntel/Isoliermaterialien und deren Temperaturbereiche:


5. Leiterdurchmesser:

  • Der Drahtdurchmesser hat einen großen Einfluss auf den Widerstand. Die Speisespannung einer DMS-Brücke erzeugt einen Strom, der den Leiter erwärmt. Je kleiner der Durchmesser, desto höher der Temperaturanstieg im Draht.

  • Zur Fehlerminimierung sollte der größtmögliche Drahtdurchmesser verwendet werden, um den Einfluss des Widerstands der Kabeladern in DMS-Anwendungen und den Wärmeeinfluss des Kabels zu minimieren.

  • In einigen Anwendungen sind dünne Kabel erforderlich, um Massenträgheit/Gewicht zu reduzieren oder einen kleinen Biegeradius zu ermöglichen.

  • Lange Sensorkabel erfordern im Allgemeinen größere Drahtdurchmesser.

Am Dehnungsmessstreifen sollte ein Kabel mit kleinem Durchmesser verwendet werden, um die Menge an Lot und parasitäre Beanspruchungen am DMS zu reduzieren.
Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass diese dünnen Drähte die Stabilität und Empfindlichkeit der Schaltung beeinträchtigen.

Als Schnittstelle zwischen dem Messkabel und dem Anschlussdraht des DMS kann ein Lötstützpunkt verwendet werden. Dies ermöglicht den Übergang von einem Kabel mit kleinem Durchmesser zu einem dickeren Kabel:

Mit der von HBM patentierten 4-Leiter-Technik angeschlossener Dehnungsmessstreifen:

Was ist die von HBM patentierte 4-Leiter-Schaltung?

Nur die 4-Leiter-Schaltung, bzw. die von HBM patentierte Kreuzer-Schaltung, erlaubt es, auch unterschiedliche Kabelwiderstände zu kompensieren. Über zwei der Leitungen fließt ein bekannter elektrischer Strom durch den Widerstand. Der Spannungsabfall am Widerstand RKab1 wird hochohmig über zwei weitere Leitungen ausgeregelt.

Die Kreuzer-Schaltung misst die Spannung über dem Widerstand RKab2 und addiert sie auf die Speisung. Dadurch werden die Spannung und somit auch der Strom durch den Ergänzungswiderstand Rerg unabhängig vom Kabelwiderstand. Nullpunkt sowie Empfindlichkeitsfehler durch Kabeleinflüsse werden elektronisch kompensiert.

https://www.hbm.com/en/3458/tips-and-tricks-successfully-compensating-for-lead-resistances/

Tipps für das Abisolieren von dünnen DMS-Drähten

1. Entfernen Sie durch thermisches Abisolieren 5 mm der Isolierung vom Draht, der an den DMS angeschlossen werden soll.

Thermisches Abisolieren verhindert Beschädigungen, die durch das mechanische Abisolieren mit einer Zange entstehen können.

2. Verzinnen Sie das Drahtende mit Lot.

3. Schneiden Sie den verzinnten Leiter ab, sodass er nach dem Löten nicht über den DMS-Träger herausragt.


6. Leiteranzahl

1-Leiter: Verbindungen zwischen DMS und Lötstützpunkten

3/4-Leiter: Für Viertelbrücken-Anwendungen (nur 4-Leiter gezeigt) oder Vollbrücken:

5-Leiter: Halbbrücken-Anwendungen

6-Leiter: Vollbrücken-Anwendungen


7. Kabellänge

  • Beim Messen mit Dehnungsmessstreifen reichen die Kabellängen von ein paar Zentimetern bis zu Hunderten von Metern.
  • Verwenden Sie verdrillte und geschirmte Kabel, um Störungen durch elektromagnetische Felder zu minimieren.
  • Halten Sie die Länge generell so kurz wie möglich, um thermische und elektromagnetische Störeinflüsse zu minimieren.
  • Wählen Sie für größere Entfernungen größere Leiterdurchmesser, um den Einfluss des Widerstands klein zu halten.
  • Werden Signale mit hoher Frequenz und Gleichstrom übertragen, wird ebenfalls die Verwendung von kapazitätsarmem Draht empfohlen.

Was ist der Unterschied zwischen einem Gleichspannungs- und einem Trägerfrequenz-Messverstärker?

Gleichspannungs-Messverstärker

  • Umfasst einen Generator, der eine stabilisierte Gleichspannung zur Speisung der Brückenschaltung liefert
  • Verstärkt statische und dynamische Signale bis auf hohe Frequenzen
  • In der Praxis: üblicherweise max. 10 kHz; höhere Frequenzen sind auf Störimpulse zurückzuführen, die das Messsignal nicht beeinflussen sollten

Nachteil: Störungen (verursacht durch elektrische oder magnetische Felder sowie thermoelektrische und galvanische Spannungen im Messkreis) werden vollständig verstärkt.

  • Fehler im Messergebnis
  • Elektrische oder magnetische Schirmung ist erforderlich
  • Oder eine rechnerische Korrektur von thermoelektrischen Spannungen

Trägerfrequenz-Messverstärker

  • Generator liefert eine spannungs- und frequenzstabilisierte Wechselspannung zur Speisung der Brückenschaltung
  • Ausgangsspannung = Wechselspannung, deren Amplituden proportional zu einer Brückenverstimmung sind (Amplitudenmodulation)
  • Frequenzauswahl, sodass nur die Frequenz der Speisespannung verstärkt wird (Störungen haben keinen Einfluss)
  • Übliche Trägerfrequenzen:
    • 225 Hz: Messung statischer oder quasistatischer Vorgänge (bis 9 Hz)
    • 5 kHz: Messung statischer oder quasistatischer Vorgänge (bis 1 kHz)

Nachteil: Limitierte Bandbreite

8. Kabelschutz rund um den DMS für raue Bedingungen

  • Feuchtedichte Verbindung zwischen dem Draht und der Schutzbeschichtung.  Daher ist eine größtmögliche Kohäsion zwischen dem Abdeckmittel und dem Anschlusskabel und der Werkstoffoberfläche erforderlich
  • Fluorpolymer-Kabel sollten vorher angeätzt werden, um eine ordnungsgemäße Abdichtung des Messkabels zu ermöglichen
  • Spezialkabel mit wasserfestem Tape werden für den Gebrauch unter Wasser empfohlen (bitte wenden Sie sich an das HBM-Service-Team)
  • Sorgen Sie für eine Mindestlänge an Schutzmittel rund um den Kabelzugang, um die Kriechstrecke zu maximieren und sicherzustellen, dass kritische Stellen abgedichtet sind

9. Testdynamik

  • Für hochdynamische Messungen sollten Schaltdrähte eingesetzt werden. Schaltdrähte bestehen aus vielen dünnen Einzeldrähten, die durch eine äußerst flexible Schicht isoliert sind.
  • Massivdraht sollte nur an statischen Objekten verwendet werden (z.B. für Verbindungen zwischen Brücken).

10. Fazit

  1. Verwenden Sie den größtmöglichen Kabeldurchmesser
  2. Verwenden Sie Kabel mit geringen Widerstands- und Kapazitätswerten
  3. Minimieren Sie, wenn möglich, die Kabellängen
  4. Verwenden Sie direkt am DMS den kleinstmöglichen Durchmesser
  5. Wählen Sie das richtige Kabel in Abhängigkeit von Ihrem Testszenario
  6. Verwenden Sie flexible Kabel
  7. Verwenden Sie Kabel mit Schutzschirm
  8. Stellen Sie eine ordnungsgemäße Erdung des Schirms sicher
  9. Stellen Sie einen Faraday‘schen Käfig für die Messsignalkette sicher
  10. Sorgfältige Kabelführung
  11. Verdrillte Drähte
  12. Verlegen Sie Hauptstromkabel nicht nahe des Messkabels in einem Kabel (90°-Kreuzung von Stromleitungen und Messsignalleitungen)
  13. Entfernen Sie Störquellen
  14. Verwenden Sie Trägerfrequenzverstärker
  15. Verwenden Sie die richtigen Filter
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