Dehnungsmessstreifen (DMS; englisch strain gauge) sind Messeinrichtungen zur Erfassung von dehnenden und stauchenden Verformungen. Sie ändern schon bei geringen Verformungen ihren elektrischen Widerstand und werden als Dehnungssensoren eingesetzt. Man klebt sie mit Spezialkleber auf Bauteile, die sich unter Belastung minimal verformen. Diese Verformung (Dehnung) führt dann zur Veränderung des Widerstands des DMS.
Sie sind das Kernstück vieler Aufnehmertypen: Kraftaufnehmer, Waagen aller Größenordnungen, von Haushaltswaagen bis hin zu Kranwaagen, Druckaufnehmern oder auch Drehmomentaufnehmern. Verformungsmessungen (Experimentelle Beanspruchungsanalyse, Spannungsanalyse) auf vielen Werkstoffen können ebenfalls durch DMS-Messungen realisiert werden. Bei Messungen mit DMS werden vor allem Brückenschaltungen eingesetzt, hierzu zählen die Viertel-, Halb- und die Vollbrücke.
Dehnungsmessstreifen gibt es in verschiedenen Material-Ausführungsformen wie Folien-, Draht- und Halbleiter-DMS sowie als Mehrfach-DMS in verschiedenen Anordnungsformen wie DMS mit Querdehnung, Vollbrücken-DMS und Rosetten-DMS.
mini|hochkant=0.6|Dehnungsmessstreifen. Der Sensor nimmt die Dehnung (Streckung) in vertikaler Richtung auf
Geschichte Als Väter des DMS gelten Simmons und Ruge, die jedoch keinen Kontakt zueinander hatten und unabhängig voneinander arbeiteten. Aus heutiger Sicht hat Edward E. Simmons allerdings eher einen Kraftaufnehmer mit DMS-Prinzip erfunden, während Arthur C. Ruge, damals angestellt am Massachusetts Institute of Technology (MIT), den heute als DMS in der Spannungsanalyse verwendeten Sensortyp erfunden hat. Das Prinzip des DMS wurde bereits 1856 von William Thomson, dem späteren Lord Kelvin beschrieben. Da Simmons bereits ein Patent eingereicht hatte, als Ruge 1940 mit seinem DMS auf den Markt wollte, wurde das Patent kurzerhand aufgekauft, um Patentstreitigkeiten zu vermeiden (Patenterteilung Simmons: August 1942, Patenterteilung Ruge: Juni 1944). Die ersten (Draht-)DMS trugen daher die Bezeichnung SR-4: Simmons, Ruge und 4 andere. Als Geburtsjahr des DMS gilt 1938, weil in dieses Jahr die Veröffentlichung von Simmons und die wesentlichen Arbeiten von Ruge fallen.
Anwendung mini|Praktisch aufgebauter Dehnungsmessstreifen Dehnungsmessstreifen werden eingesetzt, um Formänderungen (Dehnungen/Stauchungen) an der Oberfläche von Bauteilen zu erfassen. Sie ermöglichen die experimentelle Bestimmung von mechanischen Spannungen und damit der Beanspruchung des Werkstoffs. Dies ist wichtig, wenn diese Beanspruchungen rechnerisch nicht hinreichend genau bestimmt werden können, oder wenn berechnete Beanspruchungen überprüft werden sollen, da bei jeder Berechnung Annahmen getroffen und Randbedingungen angesetzt werden müssen. Stimmen diese nicht mit der Realität überein, so ergibt sich trotz genauer Berechnung ein falsches Ergebnis. Die Messung mit DMS dient in diesen Fällen zur Überprüfung der Rechnung.
Anwendungsgebiete für DMS sind die Dehnungsmessung an Maschinen, Bauteilen, Holzkonstruktionen, Tragwerken, Gebäuden, Druckbehältern etc. bis hin zu Knochen oder Zähnen. Ebenso werden sie in Aufnehmern (Sensoren) eingesetzt, mit denen dann die Belastung von elektronischen Waagen (Wägezellen), Kräfte (Kraftaufnehmer) oder Drehmomente (Drehmomentaufnehmer), Beschleunigungen und Drücke (Druckmessumformer) gemessen werden. Es können statische Belastungen und sich zeitlich ändernde Belastungen erfasst werden, selbst Schwingungen im Hochfrequenzbereich können nach Frequenz und Amplitude untersucht werden.
mini|Sensorischer Werkzeughalter mit Dehnungsmessstreifen DMS finden Anwendung in sensorischen Werkzeughaltern zur Messung der Kräfte, welche auf ein Werkzeug wirken. Mit Hilfe der verbauten Sensorik lässt sich das Biegemoment, die Torsion sowie die Axialkraft messen, hierdurch können in der Zerspanung Rückschlüsse auf den Zustand jeder einzelnen Schneide gezogen werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die so genannte Bahnzugmessung bei der Herstellung von Materialien (Papier-, Folienbahnen, Metallbänder und ähnliches) mittels Walzen und Rollen.
Im Radsport werden sie bei Powermetern verwendet, um die Tretleistung zu ermitteln.
Aufbau und Formen mini|Folien-Dehnungsmessstreifen mini|Rosetten-DMS
Der typische DMS ist ein Folien-DMS, das heißt, die Messgitterfolie aus Widerstandsdraht (3–8 µm dick) wird auf einen dünnen Kunststoffträger kaschiert und ausgeätzt sowie mit elektrischen Anschlüssen versehen. Die meisten DMS haben eine zweite dünne Kunststofffolie auf ihrer Oberseite, die mit dem Träger fest verklebt ist und das Messgitter mechanisch schützt. Die Kombination von mehreren DMS auf einem Träger in einer geeigneten Geometrie wird als Rosetten-DMS oder Dehnungsmessrosette bezeichnet.
Für Sonderanwendungen, z. B. im Hochtemperaturbereich oder für sehr große DMS (Messungen an Beton) werden auch DMS aus einem dünnen Widerstandsdraht (Ø 18–25 µm) mäanderförmig gelegt.
Bei der Herstellung wird in DMS für die experimentelle Spannungsanalyse und DMS für den Aufnehmerbau unterschieden, für jeden Bereich werden die DMS unterschiedlich optimiert.
Das Messgitter kann prinzipiell aus Metallen oder Halbleitern bestehen. Halbleiter-DMS (Silizium) nutzen den bei Halbleitern ausgeprägten piezoresistiven Effekt, das heißt, die bei Verformung des Halbleiterkristalls eintretende Änderung des spezifischen Widerstands, aus. Die Widerstandsänderung durch Längen- und Querschnittsänderung spielt bei Halbleiter-DMS nur eine untergeordnete Rolle. Durch den stark ausgeprägten piezoresistiven Effekt können Halbleiter-DMS relativ große k-Faktoren (siehe unten) und dementsprechend wesentlich höhere Empfindlichkeiten als metallische DMS besitzen. Allerdings ist ihre Temperaturabhängigkeit ebenfalls sehr groß und dieser Temperatureffekt ist nicht linear.
Für metallische Folien-DMS werden als Werkstoffe meist Konstantan oder NiCr-Verbindungen verwendet. Die Formen der Messgitter sind vielfältig und orientieren sich an den unterschiedlichen Anwendungen. Die Länge der Messgitter kann über einen Bereich von 0,2–150 mm hergestellt werden. Bei DMS für alltägliche Messaufgaben liegen die Messunsicherheiten zurzeit zwischen 1 % und etwa 0,1 % des jeweiligen Messbereichsendwerts. Mit erhöhtem Aufwand lassen sich die Unsicherheiten bis auf 0,005 % des Messbereichsendwerts verringern, wobei das Erreichen derartiger Unsicherheiten nicht allein eine Frage der Aufnehmertechnologie ist, sondern beim Hersteller die Verfügbarkeit entsprechender Prüfmittel voraussetzt.
Die Trägerfolien der DMS werden unter anderem aus Acrylharz, Epoxidharz oder Phenolharz bzw. Polyamid hergestellt.
Bei Sensoraufbauten ohne Trägerfolie wird der DMS unter Verwendung einer dünnen Glasisolierschicht auf einen Edelstahlmesskörper aufgesputtert. Der Messkörper kann dann zum Beispiel mittels Laserschweißung an einer geeigneten Stelle in die zu untersuchende Struktur integriert werden. Der Vorteil dieser Bauform ist die Unempfindlichkeit gegenüber Kriechen und Feuchtigkeit (vgl. unten).
Daneben gibt es auch Kraftmessgeräte, die piezoelektrische, optische, induktive oder kapazitive Sensoren verwenden. Sie werden in der Praxis allerdings nur für Sonderanwendungen eingesetzt. So können zum Beispiel kapazitive Sensoren auch im Hochtemperaturbereich über 1000 °C eingesetzt werden. Faseroptische DMS (mit Faser-Bragg-Gitter) sind sehr flach und benötigen keine dicken Anschlusskabel. Als weitere Alternative zum DMS werden auch rein optische Verfahren angewandt, die allerdings nur im Niedrigtemperaturbereich sinnvolle Ergebnisse liefern.
Wirkungsweise Metallische Dehnungsmessstreifen basieren auf der Änderung des Widerstands durch Längen- und Querschnittsänderung. Wird ein DMS gedehnt, so nimmt sein Widerstand zu. Wird er gestaucht (negative Dehnung), so nimmt sein Widerstand ab.
Die DMS werden für die Messung mit einem geeigneten Klebstoff auf den Prüfling aufgeklebt. Die Formänderung des Trägers (Dehnung/Stauchung) wird auf den DMS übertragen und im DMS tritt eine Widerstandsänderung ein. Die Messempfindlichkeit des DMS wird durch den sogenannten k-Faktor beschrieben, welcher die Proportionalität der relativen Widerstandsänderung zur relativen Dehnung ε angibt.
rechts|Änderung der Einflussgrößen Der Widerstand des unbelasteten DMS ist:
Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen: : spezifischer Widerstand : Drahtlänge : Querschnittsfläche : Durchmesser des Drahtes
Die Widerstandsänderung bei Belastung beträgt allgemein:
Durch Differentiationen und Umformungen erhält man die relative Widerstandsänderung:
Die relative Widerstandsänderung ist von der Längs- und der Querdehnung abhängig.
Somit folgt:
wobei den sogenannten k-Faktor darstellt. Für diesen gilt:
Die einzelnen Formelzeichen stehen für folgende Größen: : relative Längenänderung : relative Querschnittsänderung : Querdehnungszahl : k-Faktor
DMS-Werkstoffe + Werkstoffe für Metall-DMS und Halbleiter-DMS Bezeichnung Zusammensetzung k-Faktor Konstantan 54 % Cu 45 % Ni 1 % Mn 2,05 Nichrome V 80 % Ni 20 % Cr 2,2 Chromol C 65 % Ni 20 % Fe 15 % Cr 2,5 Platin-Wolfram 92 % Pt 8 % W 4,0 Platin 100 % Pt 6,0 Silizium 100 % p-Typ Si: B (Bor in ppm-Bereich) +80…+190 Silizium 100 % n-Typ Si: P (Phosphor in ppm-Bereich) −25…−100
Die bei mechanischer Belastung des DMS beobachtete Widerstandsänderung wird durch die geometrische Verformung des Messgitters und durch die Veränderung des spezifischen Widerstands des Messgitterwerkstoffes verursacht. Unterschiedliche DMS-Werkstoffe ergeben unterschiedliche Werte für die Empfindlichkeit (k-Faktor) des Dehnungsmessstreifens.
Für Standard-DMS wird wegen der geringen Temperaturabhängigkeit trotz des geringen k-Faktors der Werkstoff Konstantan gewählt. Falls ein größerer Temperaturbereich nötig ist oder bei Temperaturen unter −150 °C gemessen werden soll, wird meist NiCr (Karma, Modco) als Messgittermaterial verwendet.
Für Halbleiter-DMS wird vorwiegend Silizium verwendet, entweder in Form eines dünnen monokristallinen Streifens von 10 bis 20 µm Dicke oder als aufgedampfte polykristalline Schicht. Je nach Kristallorientierung und Dotierung (p- oder n-Silizium) kann der k-Faktor stark variieren. Bei n-Silizium ergeben sich negative k-Faktoren.
Zum Effekt in kristallinen Halbleitern, die einen hohen k-Faktor besitzen, siehe auch Piezoresistiver Effekt.
Maximale Dehnbarkeit Die maximale Dehnbarkeit des DMS hängt vor allem von der Dehnbarkeit des Messgitterwerkstoffes ab. Weitere Abhängigkeiten bestehen durch den Klebstoff (durch dessen Dehnbarkeit und Bindefestigkeit) und den Werkstoff des Trägermaterials. Die Werte der maximalen Dehnbarkeit liegen bei Raumtemperatur typischerweise im Bereich von einigen 1.000 µm/m (Halbleiter-DMS) bis hin zu 50.000 µm/m (Folien-DMS). Mit Spezial-DMS sind aber auch Dehnungen von über 100.000 µm/m möglich, hierbei ist allerdings die normale Definition der Dehnung nicht mehr gültig. Im Hochdehnungsbereich muss die effektive Dehnung durch Integration des differentiellen k-Faktors verwendet werden. Diese Obergrenze wird jedoch selten ausgenutzt, die Maximaldehnung eines DMS kann in der Regel auch nur einmal erreicht werden. Typische Dehnungen (für „normale“ Materialien) sind im Bereich von einigen 100 bis etwa 2.000 µm/m. Je nach Qualität ist der DMS in diesem Bereich (maximal 1.000 µm/m bis 2.500 µm/m VDI/VDE 2635) dauerwechsellastfest.
Maximale Frequenz Die mechanische Grenzfrequenz des DMS ist noch nicht ermittelt worden, es wurden jedoch Messungen im Bereich von 5 MHz bis 8 MHz durchgeführt, bei denen der DMS noch fehlerfreie Ergebnisse lieferte.
DMS-Widerstand Als Nennwiderstand eines DMS gilt der Widerstand, der ohne Belastung des DMS zwischen den beiden Anschlüssen gemessen wird. Typische Werte sind 120, 350, 700 und 1000 Ω.