Einleitung

HBM bietet maßgeschneiderte Lösungen für eine Vielzahl von OEM-Anwendungen mit jeweils ganz speziellen und anspruchsvollen Anforderungen hinsichtlich der Messung von Last, Kraft, Druck, Gewicht oder Drehmoment, einschließlich Dehnungsmessstreifen für Hersteller von kundenspezifischen Sensoren. HBM bietet auch OEM-Messdienstleistungen über vom Kunden gelieferte Teile an.

In diesem Dokument wird der Prozess hinter einer kundenspezifischen Sensorlösung erläutert, von der anfänglichen Leistungsdefinition über den Entwicklungs- und Erstellungszyklus bis hin zur Verifizierung und Validierung. Die Grundlagen eines maßgeschneiderten Sensordesigns auf Basis von Dehnungsmessstreifen werden dargestellt und es wird erklärt, wie die Ingenieure von HBM einen leistungsstarken Sensor entwickeln, der zu den Geräten des Kunden passt, anstatt dass die Geräte an den Sensor angepasst werden müssen.

HBM verfügt über mehr als 60 Jahre Erfahrung in der Mess-, Prüf- und Analysetechnik sowie im Bereich der kundenspezifischen Sensoren. Das Unternehmen liefert OEM-Sensoren für Branchen wie Automobil, Luft- und Raumfahrt, Landwirtschaft, Schwermaschinen, geländegängige und Straßen-Fahrzeuge, Tiefbau, Energie, Prozessverwiegung und Medizintechnik.

Ein erfolgreicher Projektablauf für einen OEM-Prozess beginnt innerhalb der ersten 30 Tage, wenn der Kunde und HBM in einer einführenden Webkonferenz den Projektrahmen einschließlich möglicherweise bestehender Hindernisse betrachten. Anschließend erstellen die Ingenieure von HBM eine erste Konzeptzeichnung, führen eine FEA-Analyse durch und legen dem Kunden die Spezifikationen zur Überprüfung vor. Die Änderung oder Genehmigung der Konzeptzeichnungen wird abgeschlossen und ein Angebot für Prototypen und Fertigung abgegeben. Davon ausgehend werden am HBM-Standort Marlboro, MA, USA, die Prototypen gebaut. Die Prototypen werden vollständig getestet und validiert und dem Kunden anschließend für eigene Tests und Validierungen zur Verfügung gestellt.

Dehnungsmessstreifentechnologie

Unterschiedliche Formen und Muster von Dehnungsmessstreifen können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, von denen zwei heute besonders bedeutsam sind: Spannungsanalyse und Sensorbau. Abbildung 1 zeigt den Grundaufbau eines Dehnungsmessstreifens; links sind die verschiedenen Teile zu sehen. Der heute bei Dehnungsmessstreifen verwendete Träger ist PEEK F (Polyetherketon), ein Trägermaterial mit Vorteilen gegenüber dem noch in Anwendungen mit hohen Temperaturen verwendeten G-Papier und Polyimid-Trägern. Messgitter sind in der Regel aus Konstantan, können jedoch auch aus Nickel-Chrom hergestellt werden. Die Drähte werden an den Lötflächen am Ende gelötet

Ein wichtiges Merkmal des Dehnungsmessstreifens sind die Umkehrstellen – das U- oder Umkehrstellen-Verhältnis. Es ist besonders wichtig für die Steuerung des Kriechens. Das Verständnis des Werkstoffkriechens ist Teil des kundenspezifischen Sensorbaus. Alle Werkstoffe zeigen eine Form von Kriechen, die in einer negativen oder positiven Veränderung durch die Lasteinleitung über einen Zeitraum besteht. Idealerweise sollte es einen Spiegeleffekt des DMS auf den Werkstoff geben, der diese Veränderung kompensiert. Dies wird durch Kriechanpassungen oder das Umkehrstellen-Verhältnis erreicht.

Abbildung 1 zeigt Lötflächen, die als Anker am Ende des aktiven Gitters fungieren. Dadurch entsteht eine Zugfeder, die an jedem Ende mit einer Kraft angreift. Bei positivem Kriechen wäre beispielsweise die Umkehrstellenschleife kleiner, um die Spannung zu verringern, und würde mit einer geringeren Kraft angreifen, um die Antwort des Werkstoffkriechens abzuflachen. Bei negativem Kriechen würde die Umkehrstellenschleife vergrößert, um mit höherer Kraft anzugreifen.

Das Ziel ist es, eine konstante Last über einen bestimmten Zeitraum zu erhalten. Ein Kriechen tritt auf, wenn eine Nennlast für einen bestimmten Zeitraum aufgebracht und gehalten wird, wodurch eine Änderung des Ausgangs erzeugt wird, die entweder positiv oder negativ ist. Dies kann über die Umkehrstellen gesteuert werden.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Dehnungsmessstreifen zu installieren. Für Anwendungen in der Spannungsanalyse wie an Flugzeugflügeln oder Schleppstangen, die für einen Härteofen zu groß sind, wird ein kalthärtender Klebstoff verwendet. Der DMS wird schnell und mit wenig Aufwand installiert, um die für einen Funktionstest entsprechende Haftung zu gewährleisten. Das Heißhärten wird bevorzugt, wenn es sich um Aufnehmer oder Wägezellen handelt, da es eine gleichmäßigere Verklebung bietet, sodass die erforderlichen hohen Genauigkeiten erhalten bleiben.

Abbildung 1 zeigt rechts eine Zugbelastung oder axiale Belastung. Der Stab wird gezogen, um die Länge in vertikaler Richtung zu ändern; in horizontaler Richtung gibt es eine Verkürzung. Es kommt zu einer positiven Dehnung in axialer Richtung und einer negativen Dehnung in Querrichtung oder Breite des Teils. Ein weiteres wichtiges Merkmal eines Dehnungsmessstreifens ist der k-Faktor. Für Konstantan liegt er normalerweise bei 2. Der k-Faktor entspricht dem Verhältnis einer kleinen Widerstandsänderung zur entsprechenden kleinen Dehnungsänderung.

Verwendung einer Wheatstoneschen Brückenschaltung

Abbildung 2 zeigt eine typische rhombusartige Darstellung der Wheatstone-Brücke. Die Eingangs- oder Brückenspeisespannung wird an den Brückeneckpunkten 3 (unten) und 2 (oben) angelegt. An den Eckpunkten 4 (rechts) und 1 (links) steht die Brückenausgangsspannung an, dazwischen befinden sich die aktiven Dehnungsmessstreifen. Im Inneren der Brücke befinden sich zwei weitere Lötflächen. Die erste, bei Eckpunkt 4, ermöglicht die Temperaturganganpassung bei Nulllast der Brücke. Der Werkstoff kann sich bei Temperaturänderung ausdehnen oder zusammenziehen, was die Ausgabe der Brücke beeinflusst. Um dies unter Kontrolle zu haben, müssen Temperaturänderungen bei Null kompensiert werden, um die Temperaturstabilität in dem Bereich, auf den eine Last wirkt, zu erhalten.

Bei Eckpunkt 1 kann der Nullabgleich erfolgen. Keine Wheatstone-Brücke ist perfekt; Dehnungsmessstreifen weisen leicht unterschiedliche Widerstandswerte auf. Anschlussbändchen und Lötstellen variieren ebenfalls in Länge und Größe, was sich auf den angezeigten Gesamtausgangswert auswirkt. Über eine Lötfläche bei Eckpunkt 1 kann dies angepasst und die Brücke wieder auf Null abgeglichen werden.

 

Zur Kompensation von Änderungen des Elastizitätsmoduls durch die Temperatur können die Eckpunkte mit der positiven und negativen Brückenspeisespannung durch Kompensations-DMS ergänzt werden. Hier werden bei der Vollbrücke die Auswirkungen des E-Moduls auf die Temperatur korrigiert. Alternativ kann dies durch Verwendung von Nickelchrom im DMS erreicht werden, was einen Ausgleich des Elastizitätsmoduls ermöglicht, auch ohne Verwendung von Kompensations-DMS.

Eine andere Anwendung – eine Halbbrückenschaltung – arbeitet mit zwei Dehnungsmessstreifen. In diesem Fall wird ein DMS in Querrichtung und einer entlang der Mittelachse des Elements eingesetzt. Dieser Fall würde vier DMS erfordern, also einen zusätzlichen zweiten Satz auf der anderen Seite zur Vervollständigung der Brücke. Bei Einwirkung einer Zugkraft ist die Querdehnzahl negativ und für die Längsachse positiv, bei einer Druckkraft umgekehrt. Bei der Wheatstone-Brücke sollte es zwei positive und zwei negative Werte geben, um eine abgeglichene Brücke zu erhalten.

Abbildung 2: Eine typische rhombusartige Darstellung der Wheatstone-Brücke.  Abbildung 3: Bei diesem aktorgesteuerten Antrieb ist der blaue Bereich das Stellglied, das in einen Kanal oben einspeist und eine Kraft in das Gerät einleitet.

Bei Drehmomentmessungen an einem Tubus, würden bei Einleitung eines Drehmoments oder Rotation des Bauteils, Dehnungen auf einem Winkel von 45 Grad zur Mitte basieren und die Dehnungsmessstreifen auf beiden Seiten um 45 Grad nach unten biegen – dies sind dann DMS-Halbbrücken. Eine Seite ist negativ und eine Seite positiv. Aus diesem Grund kann zur Bestimmung des Drehmoments ein Doppel-Scher-Dehnungsmessstreifen sehr hilfreich sein.

Auch der Einsatz in einem Balken ist möglich. Durch Platzierung entlang der Mittelachse des Balkens, erzeugt die auf das Ende wirkende Kraft einen positiven und einen negativen Wert. Ein klassisches Beispiel wäre ein Auslegerbalken, bei dem Linear-DMS in axialer Richtung auf der Oberseite und Unterseite platziert werden. Durch die Durchbiegung des Balkens wirken Zugkräfte auf der Oberseite und Druckkräfte auf der Unterseite. Zwei DMS auf beiden Seiten vervollständigen die Wheatstone-Brücke.

Erstellen eines OEM-Sensors

Das Modell in Abbildung 3 zeigt einen kleinen aktorgesteuerten Antrieb. Der blaue Bereich ist das Stellglied, das in einen Kanal oben einspeist und eine Kraft in das Gerät einleitet. Dieser Kunde wollte die Kraft überwachen, die am Stellglied aufgebracht wird. In diesem Fall gab es keinen Platz für einen handelsüblichen Sensor. Die Lösung bestand darin, einen Teil des Geräts in einen OEM-Sensor zu verwandeln. Der als potenzieller Sensor gewählte Teil ist das Stellglied.

Wie kann Material strategisch entfernt oder das Teil so geschwächt werden, dass es genug Durchbiegung aufweist, um die elektrische Leistung mit einer Wheatstone-Brücke zu erzeugen? Ein Modell des Teils wurde erstellt und eine Finite-Elemente-Analyse des entsprechenden Bereichs lieferte die Durchbiegung (Abbildung 4). Wenn, um einen bestimmten Sicherheitsfaktor beizubehalten, das Abtragen von Material von einem Teil keine Option ist, kann HBM an einer Lösung arbeiten. Denken Sie daran, dass HBM zu Beginn des Entwicklungsprozesses versucht, in der Regel etwa 1,000 µm/m aus der Einheit zu erhalten, oder µm/m-Werte, die etwa zwei Millivolt pro Volt aus einer Wheatstone-Brücke ergeben. Wenn Material wieder hinzugefügt werden muss, könnte es die Ausgabe beeinflussen. Sobald sie als Arbeitsmodell etabliert ist und die DMS in die Aussparung eingebracht werden können, wird die Wheatstone-Brücke fertiggestellt und verdrahtet.

Ein weiteres Beispiel für ein kundenspezifisches Design ist ein einfacher flacher Balken, der in Abbildung 6 dargestellt ist und in die Maschine eines Kunden passt. Der Kunde benötigte eine Möglichkeit zu Messung einer abwärtsgerichteten Kraft; nach Installation in der Mitte, reichen die DMS in die Brückenzweige auf beiden Seiten. Die Wheatstone-Brücke wurde fertiggestellt, beschichtet und das Teil war fertig.

Bei den nächsten in Abbildung 7 gezeigten Beispielen handelt es sich um Drehmomentaufnehmer. Ein DMS befindet sich links von der Mitte in einem Winkel von 45 Grad; ganz rechts, ebenfalls in einem Winkel von 45 Grad befindet sich ein anderer DMS. Hier handelt es sich um eine Einheit mit vier DMS-Halbbrücken. Um die Genauigkeit einer bestimmten Einheit zu erhöhen und das Rauschen zu steuern, kann die Anzahl der DMS, die in jedem Arm einer Wheatstone-Brücke zwischen den Eckpunkten verwendet werden, erhöht werden. Zwei 350-Ohm-DMS wurden in jedem Arm der Wheatstone-Brücke platziert, wodurch eine 700-Ohm-Brücke entsteht. Das Gerät auf der linken Seite ist mit einem Thermoelement zur Messung der Betriebstemperatur ausgestattet. In diesem Fall wollte der Kunde herausfinden, welcher Temperatur das Gerät während des Schweißvorgangs tatsächlich ausgesetzt ist.

Anwendungen in der Medizintechnik

Für eine Anwendung in der Medizintechnik wurde ein OEM-Sensor entwickelt und in einem Mammographiegerät eingesetzt. Die Sensoren steuern den Druck, sodass der Bediener die beste Messempfindlichkeit zur Untersuchung des Gewebes erhält und die Untersuchung angenehmer für die Patientin ist.

Die Sensoren werden auch in Krankenhausbetten verwendet, wie in Abbildung 8 dargestellt. Ein Sensor ist zum Wiegen der Patienten auf der Unterseite angebracht und ein weiterer in die Griffe eingebettet. An den oberen Griffen auf beiden Seiten entlang des Kopfteils befinden sich Sensoren, die Geschwindigkeit und Richtung der motorunterstützten Bewegung steuern.

Ebenfalls im medizinischen Bereich erfordern ferngesteuerte Roboter-OP-Maschinen Mehrkomponenten-x-, y- und z-Sensorbaugruppen. Roboterarme müssen beispielsweise in verschiedenen Winkeln arbeiten. Eine Reihe von Mehrkomponenten-OEM-DMS und Unterbaugruppen hält eine möglichst geringe Querkraft zwischen den Achsen aufrecht und steuert gleichzeitig Kräfte in verschiedenen Richtungen.

HBM stellt auch sehr kleine Biegebalken bereit, die zur Steuerung von Durchflussdruck und Durchflussraten in Infusionspumpen oder Spritzenpumpen eingebaut werden. Diese sind auf die spezifischen Bedürfnisse des Kunden abgestimmt. Wenn der Kunde einen anderen Durchfluss benötigt, kann je nach Art der gemessenen Kraft ein Ausleger- oder Single-Point-Balken verwendet werden.

Fazit

HBM entwickelt Sensoren mit einer relativ einfachen und kostengünstigen Konstruktion, um dem Kunden genau das zu bieten, was er benötigt, und ermöglicht zahlreiche Anwendungen, die Genauigkeit und Wiederholbarkeit erfordern sowie nahtlose Geräteintegration und eine höhere Kundenzufriedenheit.