Messtechnik: Hoch dynamische Verformungen mit Dehnmessstreifen erfassen

Der folgende Artikel beleuchtet neben den Systemeigenschaften auch die physikalischen Grundlagen, Applikationsaspekte, Signalverarbeitung sowie typische Einsatzfelder der hochdynamischen Dehnungsmessung.

Physikalische Grundlagen der Dehnungsmessung

Dehnmessstreifen basieren auf der Widerstandsänderung eines elektrisch leitfähigen Messgitters infolge mechanischer Dehnung oder Kompression. Wird ein Leiter gedehnt, verlängert sich seine effektive Leiterbahn und sein Querschnitt verringert sich. Der elektrische Widerstand steigt, da der Wiederstand  R = ρ* l / A.

Der Zusammenhang wird über den k-Faktor (Gauge Factor) beschrieben:

k = (ΔR/R) / ε

mit ΔR/R : relative Widerstandsänderung und ε: mechanische Dehnung ΔL/L 

Metallische DMS (z. B. Konstantan, Karma) besitzen typischerweise k ≈ 2. Halbleiter-DMS erreichen deutlich höhere Werte (k > 100), zeigen jedoch stärkere Temperaturabhängigkeit.

Der zugrunde liegende Effekt ist der piezoresistive Effekt – bei Metallen primär geometrisch bedingt, bei Halbleitern zusätzlich materialphysikalisch dominiert.

Bauformen

Typische Bauformen von Dehnmessstreifen umfassen Linear-DMS für die einachsige Messung, Rosetten-DMS mit Anordnungen beispielsweise in 0°/45°/90°, die zur Bestimmung mehrachsiger Spannungszustände eingesetzt werden, sowie Vollbrücken-DMS, die bereits werksseitig zu einer vollständigen Brückenschaltung verschaltet sind. Neben der Bauform spielt auch die Gitterlänge eine entscheidende Rolle für das Messergebnis. Kurze Messgitter ermöglichen eine hohe Ortsauflösung und eignen sich besonders zur Erfassung lokaler Spannungsspitzen, während längere Gitter eine stärkere Mittelung über Inhomogenitäten im Werkstoff bewirken und dadurch ein repräsentativeres Dehnungssignal über eine größere Fläche liefern.

Messschaltung und Signalverarbeitung

Da die Widerstandsänderungen sehr klein sind, wird nahezu ausschließlich die Wheatstone-Brücke für dessen Messung eingesetzt. Diese besteht immer aus 4 Widerständen. Die in der Sensortechnik verwendeten Begriffe Viertelbrücke, Halbbrücke und Vollbrücke bezeichnen hierbei die Anzahl an Widerständen in der Brückenschaltung, welche sich außerhalb des Messverstärkers befinden. Oft entspricht dies auch der Anzahl an aktiven Elementen. Dies ist nicht der Fall wenn zusätzliche DMS für eine Temperaturkompensation eingesetzt werden.

Für präzise und dynamische Messresultate gelten im wesentliche folgende Anforderungen an Messverstärker: Hohe Gleichtaktunterdrückung (CMRR), geringes Rauschen, hohe Bandbreite und eine stabile Brückenspeisung. Des Weiteren sollte der Messverstärker die Möglichkeit bieten, die Messbrücke auf null abzugleichen um die immer vorhanden Ungleichheiten der Nominalwiderständen der Brücke zu kompensieren. Um die verschiedenen Messbrückentypen einsetzen zu können, sollte der Messverstärker entsprechende interne Viert und Halbbrücken-Komplementierungen enthalten.

Bei langen Kabellängen kann es zu einem Spannungsabfall der Brückenspeisung über dem Kabel kommen, was das Messresultat direkt beeinflusst. Entsprechend sollte der Messverstärker eine 4 Draht Speisung unterstützen.

Hochdynamische Messung mit dem TraNET® FE 408 DP

Eine mögliche Messlösung für hochdynamische Messungen ist das TraNET® FE 408 DP der Firma Elsys. Das TraNET® FE 408 DP ermöglicht hochdynamische Messungen und unterstützt mit seinen Dehnmessstreifen-Eingängen bis zu 16 frei konfigurierbare Kanäle für DMS-Anwendungen. Zusätzlich sind IEPE-Eingänge für Beschleunigungs- und anderen IEPE-Sensoren verfügbar sowie universelle Spannungseingänge für die Aufnahme beliebiger analogen Eingangssignale. Dank einer Bandbreite von über 1 MHz lassen sich extrem schnelle mechanische Vorgänge präzise erfassen, wie sie etwa bei Stoß- und Impulsmessungen, Explosions- und Blast-Tests, ballistischen Untersuchungen oder hochfrequenten Schwinganalysen auftreten. Die hohe Bandbreite trägt dabei wesentlich zur Reduzierung von Signalverzerrungen und Phasenfehlern bei transienten Belastungen bei. Darüber hinaus bieten die Geräte hohe Auflösung und Rauscharmut für präzise Signalaufzeichnung, ermöglichen die synchrone Erfassung vieler Kanäle sowie eine flexible Parametrierung von Verstärkung, Abtastrate und Brückenkonfiguration für unterschiedliche Sensor-Setups. Daten können im internen Speicher oder direkt auf dem PC aufgezeichnet und über schnelle Schnittstellen exportiert werden, wodurch sich das System sowohl für Laboranwendungen als auch für den Einsatz im Prüfstand- und Feldumfeld eignet. Die Konfiguration und Analyse der Messungen erfolgt über die Software TranAX®, welche die Parametrierung von Brückenkonfigurationen ermöglicht, umfangreiche Filter- und Triggerfunktionen bereitstellt, Zeit- und Frequenzanalysen unterstützt und zudem große Datenmengen effizient verarbeiten kann.

Weitere Einsatzgebiete für Wheatstone-Brückenverstärker

Brückenverstärker für Dehnungsmessstreifen (DMS) werden neben der klassischen Dehnungsmessung an Bauteilen auch für die präzise Erfassung von Kräften, Drehmomenten und Drücken eingesetzt, da viele dieser Sensoren intern auf DMS-Brückenschaltungen basieren. Sie wandeln das kleine Brückensignal (typisch im mV/V-Bereich) in ein robustes Ausgangssignal um.

Besonders bei Drucksensoren dienen Brückenverstärker der Auswertung von piezo-resistiven Membran-DMS oder piezokeramischen Aufnehmern, die Druckwellen in eine Widerstandsänderung umsetzen, etwa bei dynamischen Druckmessungen in Explosionskammern, Hydrauliksystemen oder Turbomaschinen. Hier sorgen sie für hohe Bandbreite (bis 1,5 MHz), Rauscharme Verstärkung und exakte Synchronisation mehrerer Kanäle, um transienten Druckimpulse ohne Verzerrung zu erfassen. Weitere Einsatzmöglichkeiten umfassen Wägezellen (Vollbrücken für höchste Linearität),

Fazit

Mit der Integration spezialisierter Dehnmessstreifen-Eingänge entwickelt sich das TraNET® FE 408 DP zu einer leistungsfähigen Plattform für hochdynamische mechanische Messaufgaben. Die Kombination aus hoher Bandbreite über 1 MHz, flexibler Kanalanzahl, präziser Signalaufbereitung und leistungsfähiger Analysesoftware macht das System besonders geeignet für wissenschaftliche Forschung und industrielle Entwicklung. Zukünftige Entwicklungen im Bereich der Dehnungsmessung umfassen gedruckte DMS auf flexiblen Substraten, Integration in additiv gefertigte Strukturen, nanomaterialbasierte Sensorelemente sowie KI-gestützte Signalanalyse. Die hochdynamische Dehnungsmessung bleibt damit ein zentrales Werkzeug moderner Ingenieurwissenschaft – insbesondere überall dort, wo mechanische Belastungen präzise, schnell und reproduzierbar erfasst werden müssen.