Auswahlverfahren für Widerstands-Dehnungsmessstreifen

Widerstand-Dehnungsmessstäbe (kurz Dehnungsmessstäbe) sind zentrale sensorische Komponenten, die die mechanische Dehnung von Bauteilen in Widerstandsänderungen umwandeln. Sie werden häufig in Kraftaufnehmern, Kraftsensoren, Überwachungssystemen für strukturelle Integrität, Prüfungen in der Luft- und Raumfahrt sowie anderen Bereichen eingesetzt. Ihre Auswahl bestimmt direkt die Genauigkeit, Stabilität und Lebensdauer des Messsystems. Die Kernlogik besteht in einer „zweifachen Abstimmung der Dehnungseigenschaften und der Einsatzumgebung“ – dadurch wird kostspieliger Aufwand durch überdimensionierte Parameter vermieden und Messausfälle aufgrund unzureichender Leistungsfähigkeit verhindert. Im Folgenden wird ein ganzheitliches Auswahlverfahren vorgestellt, das technische Parameter, Umgebungsanpassung und praktische Hinweise kombiniert, um eine präzise Auswahl zu ermöglichen.

Schritt 1: Klärung der zentralen Messanforderungen und Anwendungsszenarien (Voraussetzung für die Auswahl)

Vor der Auswahl ist es notwendig, festzulegen, „welche Dehnung gemessen werden soll, unter welchen Umgebungsbedingungen gemessen werden soll und wie installiert werden soll“, was die Grundlage für die anschließende Parameterauswahl darstellt und die unkritische Verfolgung von Hochleistungsparametern vermeidet.

1. Definition der zentralen Messanforderungen

• Dehnungsart und -bereich: Klären Sie die Art der Dehnung des zu messenden Bauteils (statische Dehnung, wie z. B. Verformung durch Eigengewicht der Struktur, dynamische Dehnung, wie z. B. mechanische Schwingungsdehnung) sowie den maximalen Dehnungswert und berücksichtigen Sie einen Sicherheitsbereich von 1,2 bis 1,5-facher Größe. Beispiel: Wenn die tatsächliche maximale Dehnung 1000με beträgt, sollte ein Dehnungsmessstreifen mit einem Messbereich von 1200–1500με gewählt werden; bei dynamischer Dehnung (z. B. Stoßbelastung) wird empfohlen, einen Sicherheitsfaktor von 1,5- bis 2-facher Größe vorzusehen, um Beschädigungen des empfindlichen Gitters durch kurzzeitige Überlastung zu vermeiden.
• Genauigkeitsanforderung: Handelt es sich um eine qualitative Überwachung (wie z. B. Frühwarnung bei strukturellen Rissen), eine quantitative Analyse (wie z. B. Sensor-Kalibrierung) oder eine Präzisionsmessung (wie z. B. laboratorische Spannungsprüfung)? Beispiel: Dehnungsmessstreifen für Kraftaufnehmer müssen einen Empfindlichkeitsfehler von ±0,1 % erfüllen, bei der Überwachung der strukturellen Gesundheit ist ein Fehler von ≤±0,5 % akzeptabel, und für Laborpräzisionsmessungen ist eine Genauigkeit von ≤±0,05 % erforderlich.
• Kraftrichtung: Wirkt auf das Bauteil eine einachsige Kraft (wie z. B. Biegung eines Kragträgers), eine zweiachsige Kraft (wie z. B. mechanische Teile im ebenen Spannungszustand) oder eine mehrachsige Kraft (wie z. B. komplexe strukturelle Knoten)? Für einachsige Belastung werden einachsige Dehnungsmessstreifen gewählt, für zwei- oder mehrachsige Belastung hingegen zweiachsige (rechteckige, Dehnungsrosetten) oder mehrachsige Dehnungsmessstreifen.
• Messfrequenz: Bei dynamischen Messungen muss der Frequenzbereich des Dehnungssignals geklärt sein. Die Ansprechfrequenz des Dehnungsmessstreifens muss ≥3-mal so hoch wie die Frequenz des zu messenden Signals sein (um Signalverzerrungen zu vermeiden). Beispiel: Zur Messung von Schwingungsdehnungen bei 50 Hz sollte ein Dehnungsmessstreifen mit einer Ansprechfrequenz von ≥150 Hz gewählt werden.

2. Montage- und Baubedingungen

• Oberflächenmerkmale der Komponente: Ist die Oberfläche der Komponente eben, gekrümmt (welcher Krümmungsradius liegt vor) oder speziell geformt? Flexible Dehnungsmessstreifen (z. B. Folientyp) eignen sich für gekrümmte Bauteile; bei kleinem Krümmungsradius (≤10 mm) sind Dehnungsmessstreifen mit kurzer Gitterlänge erforderlich; Typen mit starker Haftung des Trägers sind für raue Oberflächen geeignet.
• Einbauraum: Für schmale Bereiche von Bauteilen (wie Fasen von Präzisionsteilen) sind miniaturisierte Dehnungsmessstreifen (Gitterlänge ≤2 mm) erforderlich, während für große Bauteile je nach Dehnungsgleichmäßigkeit Dehnungsmessstreifen mit mittlerer oder langer Gitterlänge gewählt werden können.
• Montagemethode: Handelt es sich um die Verklebung bei Raumtemperatur, um die Hochtemperatur-Schweißmontage oder um ein vorübergehendes Aufkleben? Für Hochtemperaturanwendungen sind schweißbare Dehnungsmessstreifen erforderlich, und für temporäre Überwachungen können magnetisch befestigte Dehnungsmessstreifen verwendet werden.

3. Umgebungsbedingungen im Betrieb

• Temperaturbereich: Klären Sie den Normaltemperaturbereich (-20 °C bis 60 °C), Mitteltemperatur (60 °C bis 200 °C), Hochtemperatur (200 °C bis 1000 °C) oder Niedertemperaturbereich (< -20 °C) der Einsatzumgebung. Der Temperaturkompensationsbereich des Dehnungsmessstrebens muss den tatsächlichen Temperaturbereich vollständig abdecken, um Genauigkeitsverluste durch Temperaturdrift zu vermeiden.
• Mittlere Umgebung: Gibt es Feuchtigkeit (z. B. unter Wasser, feuchte Werkstätten), Korrosion (z. B. saure oder basische Gase, Ölverschmutzung in chemischen Werkstätten), Staub oder starke Strahlung? Für feuchte Umgebungen sind wasserdichte Dehnungsmessstreifen erforderlich, für korrosive Umgebungen werden korrosionsbeständige Materialien benötigt (z. B. Nickel-Chrom-Legierungsdrähte, Polyimid-Träger), kombiniert mit einer Dichtbehandlung.
• Störfaktoren: Gibt es starke elektromagnetische Störungen (z. B. in der Nähe von Motoren, Hochspannungsanlagen) oder Vibrationen und Schläge? Für Szenarien mit starker Interferenz sind Dehnungsmessstreifen mit Abschirmungsschichten erforderlich, für Szenarien mit Vibrationen und Stößen werden Typen mit zähem Trägermaterial und Klebstoff benötigt.

Schritt 2: Auswahl der zentralen technischen Parameter (genaue Abstimmung auf Anforderungen)

Nach der Klarstellung der Anforderungen sollten die zentralen technischen Parameter des Dehnungsmessstabs im Fokus stehen, da dies der entscheidende Schritt bei der Auswahl ist und die Messleistung direkt bestimmt.

1. Kernparameter des Messgitters (Bestimmen der grundlegenden Messleistung)

• Widerstandswert: Der übliche Widerstandswert von Dehnungsmessstreifen beträgt 120 Ω (kompatibel mit den meisten Dehnungsmessstreifen, höchste Vielseitigkeit), es gibt jedoch auch Ausführungen wie 350 Ω und 1000 Ω. Dehnungsmessstreifen mit hohem Widerstand eignen sich für stromsparende Systeme, wobei 120 Ω-Dehnungsmessstreifen im industriellen Bereich die beste Kosten-Nutzen-Bilanz aufweisen. Bei der Auswahl muss sichergestellt werden, dass der Widerstandswert des Dehnungsmessstreibs mit dem Eingangswiderstand des Messverstärkers übereinstimmt (Abweichung ≤ ±5 %), um Signaldämpfung zu vermeiden.
• Messfaktor: Zeigt das proportionale Verhältnis zwischen Dehnung und Widerstandsänderung an (üblicher Wert 2,0±0,02), was ein entscheidender Parameter zur Berechnung des Dehnungswerts ist. Bei der Auswahl sollte Priorität auf Dehnungsmessstreifen mit guter Messfaktorkonsistenz gelegt werden (Stichprobenabweichung ≤±1 %), insbesondere wenn mehrere Messstreifen in einer Brückenschaltung verwendet werden (wie z. B. eine Vollbrücke eines Kraftaufnehmers), da schlechte Konsistenz zu erhöhten Messfehlern führt.
• Gitterlänge und Gitterbreite: Die Gitterlänge bestimmt den „mittleren Messbereich“ des Dehnungsmessstrebens. Eine kleine Gitterlänge (0,2–2 mm) eignet sich zur Messung lokaler Dehnungen (z. B. Rissspitzen), eine mittlere Gitterlänge (3–10 mm) für konventionelle Bauteile und eine große Gitterlänge (10–100 mm) für großformatige Bauteile mit geringen Dehnungsgradienten. Die Gitterbreite muss auf die Kraftrichtung des Bauteils abgestimmt sein: schmale Gitterbreite bei einachsiger Belastung, breite Gitterbreite oder Rosettenstruktur bei zweiachsiger Belastung.
• Empfindliches Gittermaterial:
  • Kupfer-Nickel-Legierung (Konstantan): Bevorzugt für Normaltemperatur-Anwendungen (-20 °C bis 150 °C), mit kleinem Temperaturkoeffizienten und guter Stabilität, geeignet für Kraftaufnehmer und strukturelle Überwachung;
  • Nickel-Chrom-Legierung (Karma): Für mittlere und hohe Temperaturen (-50 °C bis 400 °C), mit hoher Empfindlichkeit, geeignet für Motor- und Hochtemperaturrohrleitungsüberwachung;
  • Platin-Iridium-Legierung: Für Hochtemperatur-Anwendungen (400 °C bis 1000 °C), mit hoher Korrosionsbeständigkeit, geeignet für Luft- und Raumfahrt sowie metallurgische Ausrüstung;
  • Halbleitermaterialien: Extrem hohe Empfindlichkeit (50–100-fach im Vergleich zu Metallen), jedoch geringe Temperaturstabilität, geeignet für präzise Messungen im Labor;

2. Parameter von Trägermaterial und Klebstoff (bestimmen die Umweltverträglichkeit)

• Trägermaterial:
  • Papierträger: Günstig, einfach aufzukleben, geeignet für Normaltemperatur und trockene Umgebungen (≤60 °C), z. B. temporäre Überwachung von zivilen Anlagen;
  • Phenolharz-Substrat: Temperaturbeständigkeit von 120 °C, gute Ölbeständigkeit, geeignet für herkömmliche Anwendungen in der Industriemaschinentechnik;
  • Polyimid-Substrat: Temperaturbeständigkeit von 250 °C, Beständigkeit gegen Korrosion und Feuchtigkeit, geeignet für chemische, feuchte sowie mittlere bis hohe Temperaturanwendungen;
  • Keramik-Substrat: Temperaturbeständigkeit über 1000 °C, geeignet für extreme Umgebungen wie Hochtemperaturöfen und Luftfahrttriebwerke.
• Klebstofftyp: Muss zum Substratmaterial und zur Betriebstemperatur passen. Für Normaltemperaturanwendungen werden Cyanacrylat-basierte (schnelltrocknende) Klebstoffe verwendet, für mittlere Temperaturen Epoxidharz-basierte (Temperaturbeständigkeit bis 150 °C) und für Hochtemperaturanwendungen anorganische Klebstoffe (Temperaturbeständigkeit über 500 °C). Die Scherfestigkeit des Klebstoffs muss ≥2 MPa betragen, um ein Lösen der Dehnungsmessstreifen zu vermeiden.

3. Temperaturkompensationsparameter (Bestimmung der Messstabilität)

• Verfahren zur Temperaturkompensation:
  • Selbstkompensierende Dehnungsmessstreifen: Durch die Auswahl geeigneter Gittermaterialien wird die temperaturbedingte Widerstandsänderung durch die thermische Ausdehnung des Bauteils kompensiert, geeignet für Bauteile aus einheitlichem Material (wie Stahl, Aluminium), einfach zu installieren und bevorzugt in industriellen Anwendungen;
  • Kompensation durch Messdosen: Zusätzliche Dehnungsmessstreifen desselben Typs wie die Arbeitsmessdosen werden auf spannungsfreien, identischen Bauteilen angebracht, und Temperaturfehler werden über Schaltkreise kompensiert, geeignet für komplexe Temperaturfelder oder Bauteile aus mehreren Materialien.
• Temperaturkompensationsbereich: Muss den tatsächlichen Betriebstemperaturbereich abdecken. Beispiel: In einer Werkstattumgebung von -10 °C bis 80 °C sollte ein Dehnungsmessstreifen mit einem Kompensationsbereich von -20 °C bis 100 °C gewählt werden, um eine ausreichende Temperaturreserve sicherzustellen.

4. Struktur- und Leiterparameter (bestimmen Installation und Signalübertragung)

• Dehnungsmessstreifen-Struktur:
  • Einkomponenten-Dehnungsmessstreifen: Für eindimensionale Kraftszenarien (wie Kragträger, Zugstäbe), einfache Struktur und niedrige Kosten;
  • Zweikomponenten-Dehnungsmessstreifen (rechtwinklige Dehnungsmessstreifen): Für zweidimensionale Kraftszenarien (wie Flächenspannungskomponenten), können Dehnungen in zwei senkrechten Richtungen gleichzeitig messen;
  • Dehnungsmessrosetten (45°, 60°): Für mehrachsige Kraftszenarien (wie Strukturknoten, komplexe Bauteile), können Hauptdehnung und Richtung der Hauptsprannung berechnen, geeignet für Spannungsanalysen.
• Leiterangaben: Leitermaterialien sind üblicherweise versilberte Kupferdrähte. Für Normaltemperatur-Szenarien werden PVC-isolierte Drähte gewählt, für Hochtemperatur-Szenarien PTFE-isolierte Drähte. Die Leiterlänge muss zur Messdistanz passen. Bei Langstreckenübertragung (>10 m) sind Leiter mit Abschirmung erforderlich, um elektromagnetische Störungen zu vermeiden.

Schritt 3: Anpassung an das Einsatzszenario und Vermeidung von Auswahlfehlern

Wählen Sie Dehnungsmessstreifen entsprechend den Eigenschaften verschiedener Anwendungsszenarien aus und vermeiden Sie häufige Auswahlfehler, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Messsystems sicherzustellen.

1. Typische Beispiele zur Szenarioauswahl

2. Häufige Auswahlfehler und Vermeidungsmethoden

• Fehler 1: Nur auf den Dehnungsmessstabfaktor achten und die Konsistenz vernachlässigen – wenn mehrere Messdosen in einer Brückenschaltung verwendet werden, kann es selbst dann zu einer Brückenunsymmetrie kommen, wenn der Faktor einer einzelnen Dose den Standard erfüllt, falls jedoch große Batch-Abweichungen (>±1 %) vorliegen, was die Messfehler stark ansteigen lässt. Vermeidung: Vom Lieferanten Testberichte über den Dehnungsmessstabfaktor für Messdosen derselben Charge verlangen und die Abweichung innerhalb von ±0,5 % halten.
• Fehler 2: Unstimmigkeit zwischen Gitterlänge und Dehnungsgradient – die Verwendung von Dehnungsmessstreifen mit großer Gitterlänge in Bereichen lokaler Dehnungskonzentration, wie beispielsweise Risskuppen, führt zu einer „Mittelung“ der Messwerte und kann die reale Dehnung nicht wiedergeben. Vermeidung: Wählen Sie eine Gitterlänge ≤2 mm für Bereiche mit großem Dehnungsgradienten und 5–10 mm für Bereiche mit gleichmäßiger Dehnung.
• Fehler 3: Vernachlässigung der Abstimmung zwischen Temperaturkompensation und Bauteilmaterial – die Verwendung von auf Stahl kompensierten Dehnungsmessstreifen an Aluminiumbauteilen verursacht erhebliche Temperaturfehler aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten. Vermeidung: Wählen Sie selbstkompensierende Dehnungsmessstreifen entsprechender Kompensationstypen je nach Bauteilmaterial (Stahl, Aluminium, Kupfer usw.).
• Fehler 4: „Auskommen lassen“ mit Parametern zur Umweltanpassung – die Auswahl von gewöhnlichen Dehnungsmessstreifen mit Papierträger in feuchten Umgebungen ohne Versiegelung führt dazu, dass der Träger innerhalb kurzer Zeit aufgrund von Feuchtigkeit ausfällt. Gegenmaßnahme: Wählen Sie Trägermaterialien entsprechend der Umweltbedingungen (feucht/korrosiv/hochtemperatur) aus und fügen Sie gegebenenfalls wasserdichte Versiegelungsschichten hinzu.

Schritt 4: Weitere Hinweise zur praktischen Auswahl

• Brückenkompatibilität: Wenn mehrere Messstellen eine Vollbrücke-/Halbbrückenschaltung bilden, stellen Sie sicher, dass der Widerstandswert, der Dehnungsmessfaktor und die Temperaturcharakteristika der Dehnungsmessstreifen übereinstimmen. Es wird empfohlen, Streifen derselben Charge auszuwählen, um Brückenfehler zu reduzieren.
• Kalibrieranforderungen: Bei Dehnungsmessstreifen, die für Handelsabrechnungen (z. B. Wägezellen) oder Präzisionsmessungen verwendet werden, sollten nachvollziehbare Marken ausgewählt werden, bei denen sichergestellt ist, dass die Produkte die messtechnische Zertifizierung bestanden haben, um die anschließende Systemkalibrierung zu erleichtern.
• Abstimmung des Montageprozesses: Bei gekrümmten Bauteilen vorab die Biegeleistung des Dehnungsmessstreifens bestätigen (Biegeradius ≤ Krümmungsradius des Bauteils). Bei schweißbaren Dehnungsmessstreifen entsprechende Schweißausrüstung und -verfahren abgleichen.
• Lieferantensupport: Bevorzugung von Lieferanten, die technische Unterstützung anbieten. Material des Bauteils, Kraftbedingungen und Umgebungsparameter angeben, um genauere Auswahlempfehlungen zu erhalten und die Unsicherheit einer eigenständigen Auswahl zu vermeiden.

Zusammenfassung: Kernlogik bei der Auswahl von Widerstands-Dehnungsmessstreifen

Das Wesen der Auswahl von Widerstands-Dehnungsmessstreifen ist eine geschlossene Schleife aus "Anforderungszerlegung → Parameterabstimmung → Szenarioüberprüfung": Zuerst werden die vier Kernanforderungen „Dehnungsbereich, Genauigkeit, Umgebung und Montage“ zerlegt, anschließend gezielt Schlüsselparameter wie Messgitter, Trägersubstrat und Temperaturkompensation abgestimmt, und schließlich wird die Auswahl durch Anwendungsszenarien und Fehlervermeidung überprüft.

Falls Sie sich bei der Auswahl noch unsicher sind, können Sie dem Lieferanten folgende Informationen bereitstellen: ① Werkstoff des Bauteils und Kraftart (einachsig/zweiachsig); ② Maximaler Dehnungswert und Genauigkeitsanforderung; ③ Betriebstemperatur und Mediumsumgebung; ④ Installationsraum und -methode. Der Lieferant kann daraufhin schnell den geeigneten Typ festlegen.