Für welche Anwendungen können Dehnungsmessstreifen-Messungen eingesetzt werden?

Die DMS-Technologie hat praktisch unbegrenzte Einsatzmöglichkeiten in strukturellen Prüf- und Überwachungsanwendungen, wie z. B. bei der Lebensdauerprüfung von Strukturkomponenten in der Automobil- und Schienenfahrzeugindustrie. Der Einsatz der DMS-Technologie in der Luft-, und Raumfahrttechnik hat eine lange Geschichte. Dehnungsmessstreifen werden für Statik- und Ermüdungstests von Bauteilen und Baugruppen direkt auf tragende Strukturkomponenten geklebt. In der erneuerbaren Energiebranche werden DMS zur Prüfung der strukturellen Leistung von Windturbinenblättern und -lagern sowie zur strukturellen Zustandsüberwachung von Windturbinen im Feld eingesetzt. Dehnungsmessstreifen können auch zur Überwachung von Bauwerken des Hoch- und Tiefbaus (Brücken, Tunnel, Eisenbahnen, Dämme), Öl- und Gaspipelines oder Kernkraftwerken eingesetzt werden.

Warum ist die Auswahl des richtigen DMS-Verstärkers so wichtig?

Die gängigste Art der Dehnungsmessung ist die Verwendung eines einzelnen Dehnungsmessstreifens in einer Dreileiter-Viertelbrücken-Konfiguration. Diese Viertelbrückenkonfiguration bringt besondere Herausforderungen für die richtige Signalaufbereitung mit sich. Die Bedeutung der Sorgfalt bei der Auswahl eines DMS-Verstärkers sollte nicht unterschätzt werden. Eine falsche Wahl könnte in der Zukunft mehr Zeit und Geld kosten. 

Hier sind acht Tipps, die Ihnen dabei helfen, den richtigen Entscheid für einen DMS-Verstärker für Ihr Datenerfassungssystem zu treffen.

1. Holen Sie das beste Signal aus Ihrem DMS-Verstärker heraus

Eine Viertelbrückenschaltung ist eine Single-Ended-Eingangsmessung, was bedeutet, dass die Spannung zwischen dem Eingangssignal und der analogen Masse erfasst wird. Diese Differenz wird dann verstärkt, bevor sie durch den Analog-Digital-Wandler (ADC) geleitet wird. Single-Ended-Eingänge können durch Rauschen beeinträchtigt werden, da die Leitung, die das Signal trägt, jegliches elektrisches Hintergrundrauschen aufnimmt. Das Signal an einem Single-Ended-Eingang kann auch durch Erdschleifen beeinflusst sein. Zu den bewährten Verfahren gehört die Verwendung eines geschirmten und paarweise verdrillten Kabels für die Verdrahtung mit dem Dehnungsmessstreifen.

Verbinden Sie die Kabelabschirmung an einem Ende mit der Gehäusemasse des DMS-Verstärkers. Ziehen Sie in Erwägung, die Amplitude der Erregerspannung zu erhöhen. Mit der Erhöhung der Amplitude der Erregerspannung sind jedoch Kompromisse verbunden, die später in diesem Blog besprochen werden. Schließlich sollten Sie einen Verstärker mit einem 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler wählen. Eine höhere Auflösung führt zu einem geringeren Quantisierungsrauschen und somit zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Außerdem verwenden Sigma-Delta-ADCs Oversampling, Filterung und Rauschformung, um die höchste Auflösung zu erreichen. 
Sie können auch kleine Spannungspegel präzise verstärken.

2. Auf den Messbereich kommt es an

Messverstärker sorgen sowohl für Genauigkeit als auch für Stabilität bei der Signalaufbereitung. Dehnungsmessstreifen benötigen Messverstärker, um die Low-Level-Messsignale von der Wheatstone-Brücke zu verstärken, bevor sie den ADCs zugeführt werden. Die Verstärkung des Messverstärkers sollte so eingestellt werden, dass der Messwert des Dehnungsmessstreifens über den gesamten Messbereich des ADCs ausgegeben wird. Die Genauigkeit wird durch den Messbereich und die Verstärkungsgenauigkeit des Verstärkers beeinflusst. Modernere Messverstärker bieten einstellbare Messbereiche mit einer Verstärkungsgenauigkeit von ± 0,05 %. Ein Messbereich von ± 2000 µm/m würde zu einem Messfehler bezogen auf den Messbereichsendwert von nur 1 µm/m führen. Und ein weiter Messbereich von ± 20.000 µm/m zur Risserkennung hätte einen Messfehler von nur 10 µm/m. Daher ist die Verstärkungsgenauigkeit in Kombination mit einem einstellbaren Messbereich eine der Spezifikationen, auf die man bei der Auswahl eines DMS-Verstärkers achten sollte.

3. Messen Sie die Dehnung, nicht die Temperatur

Die bei einer Messung bei Raumtemperatur ermittelte Dehnung wird als genau angesehen, wenn sie bei unveränderten Umgebungsbedingungen durchgeführt wird. Wenn sich jedoch die Temperatur ändert, dehnt sich das Probenmaterial aus, was zu einer unerwünschten Dehnungsmessung führt. Die Temperaturänderung wirkt sich auch auf das Metallgitter und den Wärmekoeffizienten des Dehnungsmessstreifens aus – ein Prozess, der als thermische Leistung oder temperaturinduzierte scheinbare Dehnung bezeichnet wird. Die Wahl eines selbsttemperaturkompensierten (STC) Dehnungsmessstreifens, der den Wärmekoeffizienten des Messstreifens an den Ausdehnungskoeffizienten des Probenmaterials anpasst, kompensiert die Wärmeabgabe weitgehend, aber nicht vollständig. Es verbleibt eine scheinbare Restdehnung in Form eines Dehnungsoffsets. Wenn die DMS-Temperatur und die scheinbare Dehnungskennlinie bekannt sind, kann dieser Offset berechnet und der Dehnungswert entsprechend kompensiert werden. Zwei gängige Techniken zur Korrektur oder Kompensation von Fehlern aufgrund von Wärmeabgabe sind (a) die Verwendung eines unbelasteten DMS zur Kompensation oder (b) die Anwendung einer rechnerischen Korrektur auf der Grundlage der gemessenen DMS-Temperatur.

4. Auswahl der optimalen Brückenspeisespannung

Die thermische Drift durch die Eigenerwärmung des DMS verursacht eine scheinbare Änderung der Dehnung, die nicht tatsächlich auf die Verformung der Probe zurückzuführen ist. Je höher die an den DMS gelieferte Speise- oder Erregerspannung ist, desto mehr Leistung, in Form von Wärme erzeugt der durch die Drähte fließende Strom. Bei Proben mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Verbundwerkstoffen oder bei der Verwendung von sehr kleinen Dehnungsmessstreifen, ist die Verringerung der Speisespannung oder die Verwendung eines Dehnungsmessstreifens mit höherem Widerstand von entscheidender Bedeutung. Bei der Auswahl einer geeigneten Höhe der Brückenspeisespannung gibt es zwei gegensätzliche Überlegungen: 1) eine höhere Brückenspeisespannung verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des DMS; 2) eine niedrigere Brückenspeisespannung reduziert thermisch bedingte Fehler bei der DMS-Messung. Die Speisespannung muss auf den DMS und das Material, auf das er geklebt wird, abgestimmt sein. Die meisten DMS-Hersteller stellen Datenkurven zur Verfügung, die allgemeine Empfehlungen oder Ausgangspunkte für die Bestimmung optimaler Spannungspegel darstellen. Bei der Messung von Dehnungen in einer Tieftemperatur- oder kryogenen Umgebung ist die Minimierung übermäßiger Energie zur Vermeidung von Wärmeverlusten des Sensors sogar noch wichtiger. Die Anregung einfach auf ein absolutes Minimum zu reduzieren, ist aufgrund des geringeren Signal-Rausch-Verhältnisses keine Lösung. In diesem Fall hilft ein DMS-Verstärker, der eine Impulsbrückenanregung bereitstellt, den Fehler durch die Eigenerwärmung des Sensors zu minimieren.

5. Achten Sie auf die Stabilität des Brückenergänzungswiderstandes

Egal, ob es sich um einen Ermüdungstest oder eine Anwendung zur Überwachung des Strukturzustands handelt, eine Dehnungsmesskampagne kann über mehrere Wochen bis hin zu mehreren Monaten laufen. Oft bei Tag und Nacht. Schwankungen der Umgebungstemperatur gehören zu den häufigsten Ursachen für Messfehler bei der Verwendung einer Viertelbrückenschaltung. Da der aktive Dehnungsmessstreifen und der passive Brückenergänzungswiderstand in Reihe geschaltet sind, wirkt sich die Widerstandsdrift direkt auf die Messgenauigkeit aus. Eine temperaturbedingte Widerstandsänderung von nur 0,1 % kann zu einer Dehnung von 500 µm/m führen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands, oder TCR, ist einer der führenden Parameter zur Charakterisierung der Stabilität eines Brückenergänzungswiderstands. Der TCR definiert die Änderung des Widerstands in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Die typische Art den TCR auszudrücken, ist ppm/K, was für Teile pro Million pro 1-Kelvin-Temperaturänderung steht. Allzu oft werden Widerstände mit einem hohen TCR verwendet, um Kosten zu sparen, was zu unerwünschten Fehlern führt oder Sie dazu zwingt, komplexe Temperaturkorrekturkurven zu programmieren. Sie wollen vermeiden, dass Ihre Dehnungsmessung zu einer Temperaturmessung wird!

6. Vermeiden Sie Messfehler bei langen Kabelwegen

Lange Kabelwege sind manchmal unvermeidlich. Der Widerstand der Zuleitungsdrähte, die einen Dehnungsmessstreifen mit einer Wheatstone-Brücke verbinden, dämpft den Brückenausgang oder “desensibilisiert” den Messstreifen. Da die Dämpfung eine Funktion der Länge der Brückendrähte ist, hat sie mit zunehmender Kabellänge einen größeren Effekt. Bei herkömmlichen DMS-Verstärkern muss vor Beginn der Messung ein manueller Shunt-Kalibrierungsprozess durchgeführt werden. Der Shunt-Kalibrierungsprozess bestimmt den Leitungsdrahtwiderstand und den anschließenden Korrekturfaktor. Obwohl diese Methode weit verbreitet ist, kompensiert sie nicht die Änderungen des Leitungswiderstands während der eigentlichen Messung, z. B. aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur. Eine bewährte Methode zur kontinuierlichen Korrektur des Zuleitungswiderstandes ist die ratiometrische Abtastung des internen Brückenergänzungswiderstandes, die Messfehler aufgrund des Zuleitungswiderstandes automatisch korrigiert – sogar während der Messung selbst. Eine manuelle Shunt-Kalibrierung ist nicht erforderlich, so dass auch Bedienungsfehler ausgeschlossen sind.

7. Rauschunterdrückung mit Trägerfrequenztechnik

Gibt es in der Nähe Ihrer Einrichtung Störgeräusche, vielleicht sogar einen Drehstrommotor? Dies sind bedeutende Quellen für elektrisches Rauschen bei der Messung von Niederspannungssignalen wie Dehnungsmessstreifen oder dehnungsbasierten Sensoren. Dehnungsmessstreifen-Messungen sind mit Rauschen und einer Offset-Drift behaftet, die mit zunehmender Dauer der Messung steigt. Trägerfrequenzverstärker bieten in diesen Szenarien zusätzliche Nutzen. Der Vorteil, den sie gegenüber Direktspannungsverstärkern bieten, ist die Eliminierung aller Frequenzen und nachfolgenden Harmonischen außerhalb der Trägerfrequenzbandbreite. Dadurch werden thermoelektrisches Spannungsrauschen, Netzfrequenzen und die Resonanzfrequenzen von Motoren in der Nähe eliminiert. Dies sind alles primäre Rauschsignale, die Messtechniker bei der ersten Nachbearbeitung vor der Analyse aus ihren Datensätzen herausfiltern. Die Eliminierung dieser Signale bei der Erfassung der Daten in Echtzeit verbessert die Qualität der angezeigten Signale während der Messung und verbessert die Signalintegrität, wenn sie für ein Steuersignal verwendet werden.

8. Einsatz von optischen Dehnungsmessstreifen in extremen Umgebungen

Ein optischer Dehnungsmessstreifen oder faseroptischer Dehnungssensor auf Basis eines Fiber-Bragg-Gitters (FBG) bietet eine alternative Methode zur Erfassung hochwertiger Dehnungsmessungen in rauen Umgebungen, die für resistive Dehnungsmessstreifen nicht geeignet sind. Er erkennt Änderungen in der Lichtübertragung, wenn das daran befestigte Objekt eine Belastung erfährt. Das Hauptmerkmal eines optischen Dehnungsmessstreifens ist, dass er weder Elektrizität noch eine Erregerspannung benötigt, um zu funktionieren. Dies macht ihn für den Einsatz in Umgebungen mit hohen elektromagnetischen Störungen geeignet. Optische Dehnungsmessstreifen sind von Natur aus galvanisch isoliert. Also ideal für Dehnungsmessungen an Objekten die unter Hochspannung stehen. Optische Dehnungsmessstreifen bieten langfristige Signalstabilität und Systembeständigkeit. Selbst bei hohen Vibrationsbelastungen sind sie weit weniger anfällig für mechanische Ausfälle. Da optische Sensoren nur eine minimale Signaldämpfung erfahren, bleibt die Integrität der Daten hoch, selbst wenn sich das Datenerfassungssystem mehrere Kilometer entfernt befindet, was optische Sensoren zu einer beliebten Wahl für die Überwachung von Bauwerken und Eisenbahninfrastrukturen macht. Um das Signal eines optischen Dehnungssensors zu messen, benötigen Sie einen optischen Interrogator, der die Wellenlänge des vom optischen Sensor reflektierten Lichts misst und anschließend in verständliche technische Einheiten umwandelt.

Wie können Sie vermeiden, dass Ihre Dehnungsmessung zu einer Temperaturmessung wird? 

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Außerdem erfahren Sie, wie Sie mit der richtigen Trägerfrequenztechnologie das Rauschen reduzieren und Messfehler, die durch lange Sensorkabel entstehen, automatisch kompensieren können.