Lösung der schwierigen Probleme bei der Messung von Dehnungsmessstreifen

Zur Optimierung gehören eine einstellbare, möglichst hohe Versorgungsspannung sowie die Verwendung geschirmter und paarweise verdrillter Kabel.
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.

Dehnungsmessstreifen benötigen Messverstärker, um die Low-Level-Messsignale von der Wheatstone-Brücke zu verstärken, bevor sie den A/D-Wandlern zugeführt werden. Die Genauigkeit wird durch den Messbereich, die Stabilität und die Verstärkungsgenauigkeit des Verstärkers beeinflusst. Modernere Messverstärker bieten einstellbare Messbereiche mit einer Verstärkungsgenauigkeit von ± 0,05 %.

Die Kompensation einer Temperatur-abhängigen Dehnung ist insbesondere beim Messen mit Einzel-DMS, die sog. DMS-Viertelbrücke eine Herausforderung. Zwei oder drei Einzel-DMS sind auch Bestandteile von DMS-Rosetten, die häufig im Bereich der experimentellen Spannungsanalyse eingesetzt werden.
Zwei gängige Techniken zur Korrektur oder Kompensation von Fehlern aufgrund einer Temperatur-abhängigen Dehnung sind (a) die Verwendung eines unbelasteten DMS zur Kompensation (sog. Dummy-DMS) oder (b) die Anwendung einer rechnerischen Korrektur auf der Grundlage der gemessenen DMS-Temperatur.
Ein Dummy-DMS, appliziert auf dem gleichen (unbelasteten) Material, der zudem der gleichen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, eliminiert die Temperatur-abhängige Dehnung sehr effektiv. Im besten Fall kann man einen Dummy-DMS für mehrere Dehnungsmessstellen verwenden (sog. Common-Dummy).

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. Die Brückenspeisespannung sollte also für den jeweiligen Anwendungsfall einstellbar sein!

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 (TCR), ist einer der führenden Parameter zur Charakterisierung der Stabilität eines Brückenergänzungswiderstands.
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.

Lange Kabelwege sind manchmal unvermeidlich. Der Widerstand der Zuleitungsdrähte, die einen Dehnungsmessstreifen mit einer Wheatstone-Brücke verbinden, dämpft den Brückenausgang oder “desensibilisiert” den Messstreifen. Je länger die Kabel, desto größer der Effekt. Bei herkömmlichen und vor allem älteren DMS-Verstärkern muss vor Beginn der Messung ein manueller Shunt-Kalibrierungsprozess durchgeführt werden. Der Shunt-Kalibrierungsprozess bestimmt den Kabeleinfluss 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 Korrektur erfolgt sogar während der Messung selbst. Eine manuelle Shunt-Kalibrierung ist nicht erforderlich, so dass auch Bedienungsfehler ausgeschlossen sind.

Gibt es in der Nähe des Messortes Störsignale, vielleicht sogar einen Drehstrommotor? Dies sind bedeutende Quellen für elektrisches Rauschen bei der Messung von Niederspannungssignalen wie Dehnungsmessstreifen oder dehnungsbasierten Sensoren. Trägerfrequenzverstärker bieten in diesen Szenarien einen zusätzlichen Nutzen.
TF-Verstärker übertragen selektiv, da nur ein schmales Band der Signalfrequenz übertragen wird. Das sorgt für eine deutlich geringere Empfindlichkeit gegenüber Störungen.

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 einen üblichen Dehnungsmessstreifen nicht geeignet sind. 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.
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