DE19826411A1

DE19826411A1 - Dehnungsmeßstreifen und Verfahren zur Querempfindlichkeitskompensation

Info

Publication number: DE19826411A1
Application number: DE1998126411
Authority: DE
Inventors: Martin Stockmann; Jochen Naumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer GmbH
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: DE19826411C2

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

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.