DE19826411A1 - Dehnungsmeßstreifen und Verfahren zur Querempfindlichkeitskompensation - Google Patents
Dehnungsmeßstreifen und Verfahren zur QuerempfindlichkeitskompensationInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmeßstreifen und ein Verfahren zur Querempfindlichkeitskompensation, wobei der Dehnungsmeßstreifen aus einer Trägerschicht (1) und einem darauf angeordneten mäanderförmigen Meßgitter (2) aus mehreren Stegen (2.1) besteht, die an Umlenkstellen (2.2) miteinander verbunden und mit Anschlußbereichen (2.3) versehen sind. Erfindungsgemäß werden Bereiche der Trägerschicht (1) innerhalb des Meßgitters (2), zwischen den Stegen (2.1) mit zumindeste einer als Dehnungskoppler wirkenden Materialschicht (3) versehen, die einen im Vergleich zur Trägerschicht (1) erhöhten Elastizitätsmodul besitzt und zur Verbesserung der Meßeigenschaften des Dehnungsmeßstreifens dient. Die Übertragung der Dehnung quer zur Längsrichtung des Dehnungsmeßstreifens auf die Leiterzüge wird dabei gezielt verändert. Der entscheidende Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Längsdehnung unabhängig von der Querdehnung richtig gemessen wird. Die rechnerische Korrektur der Querempfindlichkeit mit den damit verbundenen Näherungen und Annahmen entfällt dadurch.
Description
Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmeßstreifen und ein
Verfahren zur Querempfindlichkeitskompensation, wobei der
Dehnungsmeßstreifen aus einer Trägerschicht und einem
darauf angeordneten mäanderförmigen Meßgitter aufgebaut
ist, welches aus mehreren Stegen besteht, die an
Umlenkstellen miteinander verbunden sind und
Anschlußbereiche zum Anschluß eines Meßgerätes aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur
Verringerung der Querempfindlichkeit von Dehnungs
meßstreifen.
Dehnungsmeßstreifen verändern ihren elektrischen Widerstand
in erster Linie infolge einer in Längsrichtung des
Dehnungsmeßstreifens orientierten Dehnung. Im allgemeinen
führt aber auch eine quer dazu orientierte Dehnung zu einer
Widerstandsänderung. Diese sogenannte Querempfindlichkeit
verfälscht das Meßergebnis. Die Querempfindlichkeit von
Dehnungsmeßstreifen ist vom Verhältnis des Widerstandes der
Leiterzüge (Stege) und des Widerstandes der Umlenkstellen
und von den Übertragungsverhältnissen der Querdehnung auf
die Stege und Umlenkstellen abhängig. Positive
Querdehnungen führen in den Umlenkstellen zu positiven und
in den Stegen zu negativen Widerstandsänderungen. Die
Gesamtwiderstandsänderung infolge Querdehnung resultiert
demzufolge aus zwei Anteilen, die eine entgegengesetzte
Wirkung besitzen. Es ist prinzipiell möglich, geometrische
Konfigurationen zu finden, bei denen sich beide Einflüsse
genau kompensieren. In der Praxis wird die Konfiguration
elektrischer Dehnungsmeßstreifen von einer Vielzahl anderer
wesentlicher Forderungen wie (Geometrie, Widerstand,
Kriechverhalten, Schwingfestigkeit usw.) bestimmt, so daß
es nur in seltenen Fällen gelingt, die Querempfindlichkeit
bei Erfüllung dieser Forderungen zu beseitigen. Moderne
Dehnungsmeßstreifen mit kleinen Meßflächen, wie sie in der
experimentellen Beanspruchungsanalyse typischerweise
eingesetzt werden, besitzen deshalb eine positive
Querempfindlichkeit von bis zu 3%.
Es ist Stand der Technik, daß diese, das Meßergebnis
verfälschende Querempfindlichkeit vom Hersteller mittels
eines standardisierten Kalibrierversuches bestimmt und für
jeden Dehnungsmeßstreifen im Datenblatt angegeben wird.
Damit kann der Anwender den Meßfehler auf numerischen Wege
näherungsweise korrigieren, (Keil, S. Beanspruchungs
ermittlung mit Dehnungsmeßstreifen, CUNEUS Verlag
Zwingenberg 1995, S. 47-51 und Hannah, R. L.; Reed, S. E.:
Strain gage users' handbook, CHAPMAN & HALL London 1992,
Correction for transverse sensitivity, S. 41).
Die Nachteile dieses Korrekturverfahrens bestehen darin,
daß zur Korrektur der Dehnung in Längsrichtung die Dehnung
in Querrichtung bekannt sein muß. Im allgemeinen Fall ist
somit ein zweiter Dehnungsmeßstreifen erforderlich.
Außerdem gilt die im Kalibrierversuch bestimmte
Querempfindlichkeit exakt nur für den bei der Kalibrierung
vorliegenden Deformationszustand und ist strenggenommen
wegen des Fehlens theoretischer Grundlagen nicht auf
beliebige andere Deformationszustände übertragbar.
Die bekannten Anordnungen bieten keine Möglichkeit, die
Übertragung der Querdehnung auf das Meßgitter unabhängig
von der geometrischen Form und den stofflichen
Eigenschaften des Meßgitters und der Trägerfolie gezielt zu
beeinflussen, um damit eine Verringerung der Querempfind
lichkeit im Dehnungsmeßstreifen selbst zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Querempfindlichkeit im
Dehnungsmeßstreifen selbst zu kompensieren, so daß im
allgemeinen keine numerische Korrektur des Meßfehlers mit
den damit verbundenen Nachteilen mehr erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird die Querempfindlichkeit dadurch
kompensiert, daß zwischen den einzelnen Leiterzügen
mindestens eine Materialschicht angeordnet ist, die als
Dehnungskoppler wirkt. Diese Dehnungskoppler beeinflussen
gezielt die Übertragung der Querdehnung auf die Stege und
sind nicht Bestandteil des stromführenden Teiles des
Dehnungsmeßstreifens. Die Wirkungsweise der Dehnungskoppler
in Bezug auf die Veränderung der Übertragung der
Querdehnung auf die Stege besteht darin, daß durch
Versteifung von Teilen der Zwischenräume, die einen
niedrigen Elastizitätsmodul besitzen, durch Dehnungskoppler
mit einem hohen Elastizitätsmodul, die Dehnung in den noch
verbleibenden jetzt schmaleren Zwischenräumen erhöht wird,
so daß sich dadurch auch die Dehnungsübertragung auf die
Stege erhöht. Diese Wirkungsweise ist durch numerische
Simulationen mit der Methode der finiten Elemente eindeutig
belegbar.
Durch unterschiedliche geometrische und stoffliche
Ausführung der Materialschicht (Dehnungskoppler) läßt sich
die Querempfindlichkeit genau kompensieren. Im einfachen
Fall bestehen die Dehnungskoppler aus dem gleichen Material
wie der metallische Teil des Dehnungsmeßstreifens (z. B.
Konstantan) und können so bei der fotolithografischen
Herstellung des Dehnungsmeßstreifens ohne Mehraufwand mit
erzeugt werden.
Diese Materialschicht besitzt einen im Vergleich zum
Trägermaterial des Dehnungsmeßstreifens höheren
Elastizitätsmodul und dient zur Verbesserung der
Meßeigenschaften des Dehnungsmeßstreifens, die darin
besteht, die Übertragung der Dehnung quer zur Längsrichtung
des Dehnungsmeßstreifens auf die Leiterzüge gezielt zu
verändern. Dazu kann die Anzahl der Materialschichten
zwischen den Leiterzügen oder deren Länge verändert werden.
Eine weitere Möglichkeit der Einflußnahme besteht in der
Änderung des Abstandes der Materialschicht zu den Stegen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: Dehnungsmeßstreifen in der Draufsicht
Fig. 1a: Ausschnitt a gem. Fig. 1
Fig. 1b: Schnitt durch Ausschnitt a gem. Fig. 1
Fig. 2a: Dehnungsmeßstreifen mit Materalschichten
maximaler Länge zwischen allen Stegen
Fig. 2b: Dehnungsmeßstreifen mit relativ kurzen
Materalschichten zwischen allen Stegen
Fig. 2c: Dehnungsmeßstreifen mit Materalschichten zwischen
einzelnen Stegen
Fig. 1 zeigt einen Dehnungsmeßstreifen nach der Erfindung
in Draufsicht, mit Ausschnitt (Fig. 1a), und Fig. 1b einen
Querschnitt des Ausschnittes. Bei dem dargestellten
Dehnungsmeßstreifen ist die Trägerschicht 1, die
beispielsweise aus einer Polyimid oder Epoxidharzfolie
besteht, mit einer elektrisch leitenden Schicht, dem
Meßgitter 2 (welches schraffiert dargestellt ist),
verbunden. Das Meßgitter 2 ist mäanderförmig ausgebildet,
mit Stegen, Umlenkstellen und Anschlußbereichen. In den
Zwischenräumen zwischen den mäanderförmigen stromführenden
Teilen des Meßgitters 2 sind zusätzliche, als
Dehnungskoppler wirkende Materialschichten 3 (schwarz
ausgefüllt dargestellt) angeordnet, die hier in Form einer
metallischen Schicht ausgeführt und wie das Meßgitter 2
selbst fest mit der Trägerschicht 1 verbunden sind. Der
Spalt s zwischen den Stegen des Meßgitters und den
Dehnungskopplern kann frei bleiben oder auch mit einer
nicht dargestellten geeigneten nichtleitenden Substanz
ausgefüllt werden.
Da die Querempfindlichkeit bei Dehnungsmeßstreifen auf
Grund des Einflusses verschiedener Parameter variiert, ist
es erforderlich, die Ausführung der Dehnungskoppler für
jeden speziellen Dehnungsmeßstreifen genau festzulegen und
unterschiedlich zu gestalten. Dazu sind die in den Fig. 2a
bis 2c dargestellten Ausführungsbeispiele geeignet. In der
Fig. 2a ist der Spalt zwischen den Kopplern und den Stegen
vergrößert, in der Fig. 2b ist die Länge der Koppler
reduziert und in der Fig. 2c ist die Anzahl der Koppler
verringert. Diese Maßnahmen ermöglichen es einzeln und in
Kombination untereinander das Ausmaß der Dehnungskopplung
entsprechend den Erfordernissen einzustellen. Bei einer
hohen positiven Querempfindlichkeit sind die Länge und die
Anzahl der Materialschichten 3 möglichst groß und die
Spaltbreite s zu den Stegen 2.1 möglichst gering zu wählen
um eine vollständige Kompensation der Querdehnung zu
erzielen. Ist die Querempfindlichkeit geringer, können
- - die Anzahl der Materialschichten 3 verringert und/oder
- - die Länge der Materialschichten 3 reduziert und/oder
- - die Spaltbreite s erhöht werden.
Bei Dehnungsmeßstreifen die keine Querdehnung aufweisen
sind keine Dehnungskoppler (Materialschichten 3)
erforderlich.
Der entscheidende Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
die Längsddehnung unabhängig von der Querdehnung richtig
gemessen wird. Die rechnerische Korrektur mit den damit
verbundenen Näherungen und Annahmen entfällt.
Claims (7)
1. Dehnungsmeßstreifen, bestehend aus einer Trägerschicht
(1) und einem darauf angeordneten mäanderförmigen
Meßgitter (2), welches aus mehreren Stegen (2.1)
besteht, die an Umlenkstellen (2.2) miteinander
verbunden sind und mit Anschlußbereichen (2.3), dadurch
gekennzeichnet, daß Bereiche der Trägerschicht (1)
innerhalb des Meßgitters (2), zwischen den Stegen
(2.1), mit zumindest einer als Dehnungskoppler
wirkenden Materialschicht (3) versehen sind, die einen
im Vergleich zur Trägerschicht (1) erhöhten
Elastizitätsmodul besitzt.
2. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Materialschicht (3) aus
elektrisch leitendem Werkstoff besteht.
3. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Materialschicht (3) aus dem
gleichen Material wie das Meßgitter (2) besteht.
4. Dehnungsmeßstreifen nach einem der Ansprüche von 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen dem
Meßgitter (2) und der zusätzlichen Materialschicht (3)
mit einem elektrisch isolierenden Material ausgefüllt
ist.
5. Dehnungsmeßstreifen nach einem der Ansprüche von 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl und/oder die
Länge der Materialschichten (3) und/oder der Abstand
der Materialschicht (3) zu den Stegen (2.1)
entsprechend der zu kompensierenden Querdehnung gewählt
wird.
6. Verfahren zur Verbesserung der Meßeigenschaften von
Dehnungsmeßstreifen, insbesondere nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Übertragung der Querdehnung auf die Leiterzüge des
Meßgitters verändert wird.
7. Verfahren zur Querempfindlichkeitskompensation von
Dehnungsmeßstreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die
Veränderung der Übertragung der Querdehnung durch
mindestens eine zusätzliche Materialschicht (3)
innerhalb des Meßgitters (2) erfolgt, wobei die
Materialschicht (3) als Dehnungskoppler wirkt.
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- 1998-06-16 DE DE1998126411 patent/DE19826411C2/de not_active Expired - Lifetime
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US20220412716A1 (en) * | 2019-11-21 | 2022-12-29 | Shanghai Microport Ep Medtech Co., Ltd. | Strain gauge, force sensor and interventional medical catheter |
US12025436B2 (en) * | 2019-11-21 | 2024-07-02 | Shanghai Microport Ep Medtech Co., Ltd. | Strain gauge, force sensor and interventional medical catheter |
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DE19826411C2 (de) | 2001-05-03 |
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