Dehnungsmessstreifen sind ein Eckpfeiler der genauen Kraftmessung in Industrie- und Testumgebungen. In Kombination mit einer Wheatstone-Brückenschaltung ermöglichen sie die präzise Erfassung statischer und dynamischer Lasten. In diesem Artikel wird erklärt, wie Dehnungsmessstreifen funktionieren, wie die Signalgenauigkeit durch Brückenkonfigurationen verbessert wird und wie Faktoren wie Temperatureffekte und Übersprechen zu handhaben sind - wichtig für alle, die mit Kraftsensoren oder Systemen zur Strukturüberwachung arbeiten.
Dehnungsmessstreifen und Widerstandsänderung
Ein Dehnungsmessstreifen mit einem Widerstand von 350 Ohm und einem Dehnungsfaktor (GF) von 2, der an einer Struktur angebracht ist, die einer Mikrodehnung von 1000 µε ausgesetzt ist, erfährt eine Widerstandsänderung von 0,7 Ohm. Obwohl moderne digitale Ohmmeter eine solche Änderung erkennen können, erfordert die Auflösung von nur 1/1000 der angelegten Last die Erkennung einer Differenz zwischen 350,0000 und 350,0007 Ohm - ein Präzisionsniveau, das hochempfindliche Schaltungen erfordert.
Messen dynamischer Kräfte mit Dehnungsmessstreifen
Wenn die zu messende Kraft dynamisch ist - z. B. wenn ein Maschinenteil auf einen Anschlag trifft - kann der Messaufbau vereinfacht werden. Eine wirksame Methode beinhaltet:
- Erregung eines einzelnen Dehnungsmessstreifens mit einer Konstantstromquelle
- Verwendung eines Wechselstromverstärkers, um nur die Wechselstromkomponente des Signals zu isolieren und zu verstärken
- Einsatz eines Kondensators, um jegliche Gleichtaktspannung zu entfernen, so dass nur das relevante dynamische Signal zur Verstärkung übrig bleibt
Dieser Ansatz liefert ein sauberes und reaktionsschnelles Steuersignal, das sich ideal für die Hochgeschwindigkeitsautomatisierung oder die Erfassung von Stoßkräften eignet.
Statische und dynamische Messungen
Eine robustere und vielseitigere Lösung ist die Verwendung einer Wheatstone-Brückenschaltung, die sowohl für statische als auch für dynamische Kraftmessungen geeignet ist. Vom Konzept her funktioniert die Wheatstone-Brücke wie zwei Spannungsteiler, die an eine gemeinsame Erregungsquelle angeschlossen sind. Wenn alle Widerstände in der Brücke gleich sind, ist die Spannung an den Mittelpunkten gleich, was zu einer Ausgangsspannung von Null führt. Doch schon eine kleine Widerstandsänderung in einem Zweig erzeugt ein Differenzsignal, das durch einen Gleichstromverstärker verstärkt werden kann, um ein hochauflösendes Ausgangssignal zu liefern.
Wenn eine Wheatstone-Brücke mit vier gleichen Dehnungsmessstreifen aufgebaut ist, wird sie in ihrem unbelasteten Zustand als ausgeglichen betrachtet. Jede mechanische Belastung der Struktur verändert den Widerstand eines oder mehrerer Messgeräte, wodurch die Brücke aus dem Gleichgewicht gerät und eine entsprechende Ausgangsspannung erzeugt wird. Die strategische Platzierung der Messgeräte ermöglicht es dieser Schaltung,:
- gewünschte Signale (z. B. Biegemomente) zu verstärken
- unerwünschte Einflüsse (z. B. thermische Drift oder Axialkräfte) auszublenden
Temperaturkompensation und Signaltrennung
Einer der Hauptvorteile der Wheatstone-Brücke ist ihre Fähigkeit, nicht dehnungsbedingte Widerstandsänderungen auszugleichen, wie z. B. solche, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden. So können Messgeräte, die in Zug- und Druckzonen platziert werden, so konfiguriert werden, dass sie die Signalausgabe additiv verstärken und gleichzeitig Gleichtakt-Effekte wie Wärmeausdehnung negieren. Dies ermöglicht es Ingenieuren, die Dehnung in bestimmten Kraftrichtungen oder Achsen zu isolieren und so die Genauigkeit von mehrachsigen Kraftsensoren zu verbessern.
Minimierung des Übersprechens und der Shunt-Effekte
Für präzise Kraftmessungen ist es entscheidend, dass jedes Messgerätepaar gleiche, aber entgegengesetzte Widerstandsänderungen erzeugt. Dieses Gleichgewicht kann jedoch ungewollt gestört werden. Ein häufiges Problem tritt auf, wenn Benutzer externe passive Widerstände (Shunts) über die Brückenarme einführen:
- Dadurch ändert sich nicht nur der Grundwiderstand des Messgeräts, sondern auch sein effektiver Messfaktor.
- Solche Modifikationen werden zwar manchmal absichtlich eingesetzt, um das Übersprechen zu korrigieren oder die Achse der Kraftempfindlichkeit fein abzustimmen, können aber unbeabsichtigt die Leistung des Sensors beeinträchtigen.
Bestimmte im Handel erhältliche Ausleseinstrumente enthalten integrierte Shunt- oder T-Balance-Netzwerke, die die tatsächliche Ausgabe des Sensors beeinflussen können. Benutzer sollten diese Effekte während der Systemintegration sorgfältig bewerten, um eine Fehlinterpretation des Kraftsignals zu vermeiden.
Auf die Präzision kommt es an
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl der richtigen Dehnungsmessstreifenkonfiguration und das Verständnis der Feinheiten von Wheatstone-Brückenschaltungen für eine genaue und zuverlässige Kraftmessung unerlässlich sind, ganz gleich, ob es sich um die Messung von Hochgeschwindigkeitsstößen oder langsamen mechanischen Belastungen handelt.
Zu den Anwendungen, die von diesem Know-how profitieren, gehören:
- Industrielle Prüfstände
- Automatisierte Produktionslinien
- Strukturprüfung in der Luft- und Raumfahrt
- Biomechanische Kraftmessung
- Feedback für Roboteraktoren
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