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Schwingungsmessung mit Dehnungsmeßstreifen
Die bekannten Dehnungsmeßstreifen
bestehen im wesentlichen aus einem Draht, der auf dem zu untersuchenden Körper befestigt
wird und sich je nach der Beanspruchung des Körpers dehnt. Dabei verändert sich
der elektrische Widerstand des Drahtes, wodurch ein Maß für die Körperbeanspruchung
gegeben ist. Diese Meßstreifen können für die Messung statischer wie auch dynamischer
Beanspruchungen verwendet werden.
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Statische Messungen ruhender Beanspruchungen lassen sich mit Dehnungsmeßstreifen
auf verhältnismäßig einfache Weise verwirklichen, indem man Iür die Widerstandsmessungen
an den Meßstreifen eine Brückenschaltung vorsieht, in deren Diagonale ein Anzeigegerät,
z. B. ein Lichtmarkengalvanometer genügender Empfindlichkeit (IoAmp.), angeordnet
ist.
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Bei Anwendung dieser Schaltung für die Schwingungsmessung wechselnder
Dehnungen stößt man jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten. Da es kein verstärkerloses
Wechselstromanzeigegerät genügender Empfindlichkeit gibt, so muB man sich hierfür
eines teuren Verstärkers und unter Umständen einer Trägerfrequenz von mehreren I
000 Hz bedienen. Letztere ist wegen der Leitungskapazitäten besonders unvorteilhaft.
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Für die Messung dynamischer Dehnung wird deshalb erfindungsgemäß
vorgeschlagen, die Brückenschaltung mit dem Gleichstromanzeigegerät in der Diagonale
zwar zweckmäßigerweise beizubehalten, aber durch die Dehnungsmeßstreifen keinen
Gleich-, sondern Wechselstrom zu senden.
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Einfache Anzeigeinstrumente lassen sich dann, ähnlich wie bei der
statischen Messung üblich, verwenden.
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Eine derartige Schwingungsmessung kann mit Vorteil nicht nur an Konstruktionsteilen
verschiedenster Art und in Materialprüfmaschinen
für die Feststellung
dynamischer Dehnungen, sondern auch in der Auswuchttechnik als Hilfsmittel zur Messung
und Anzeige der Unwucht von Rotationskörpern benutzt werden.
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Dynamische Dehnungen verlaufen in der Regel periodisch, insbesondere
rein harmonisch wechselnd.
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Der Wechselstrom muß dann die Frequenz der zu messenden dynamischen
Dehnungen besitzen. Ist der DelmaungsverlTauf zwar per,iodisch, aber nicht rein
harmonisch, so sind nacheinander die Wechselstromfrequenzen zu verwenden, die das
Spektrum der Dehnungsfunktion enthält. Am Meßinstrument wird dann eine Anzeige erhalten,
wenn die Frequenzen übereinstimmen, und zwar ein Maximum der Anzeige, wenn Wechselstrom
und Dehnungsharmonische die gleiche Phasenlage haben.
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Zur näheren Erläuterung der neuen Schwingungsmessung mit Dehnungsmeßstreifen
dienen die Abbildungen der Zeichnung.
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Abb. I zeigt das Schema einer Brückenschaltung.
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In letzterer liegen vier Dehnungsmeßstreifen I bis 4 mit den Widerständen
R1 bis R4. Die Streifen I und 3 mögen auf der Oberseite und die Streifen 2 und 4
auf der Unterseite eines wechselnd beanspruchten Biegestabes aufgeklebt sein. Die
Dehnungen dieser beiden Seiten folgen dem Gesetz: e = eg sin w t (Oberseite) bzw.
e = -Eg sin w t (Unterseite).
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An die Brücke ist die Wechselspannung UE = UO sin w t gelegt. In
der Brückendiagonale liegt ein hochempfindliches Gleichstrommeßgerät G, z.B. ein
Lichtmarkengalvanometer, und parallel dazu eine Kapazität K zum Durchlaß von Wechselströmen.
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Wenn RG der Widerstand des Galvanometers ist, Rc der Widerstand der
unbelasteten Streifen I bis 4, UE die Wechselspannung des Generators E, dann gilt
für den durch das Galvanometer fließenden Strom-
r = der Faktor, der die Empfindlichkeit der Dehnungsmeßstreifen angibt, das ist
das Verhältnis der Widerstandsänderung zur Dehnungsänderung.
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Der Faktor liegt für die bekannten Streifen zwischen I,7 und 3,6.
eo kann bis zu t/looo betragen und UO so groß gewählt werden, daß durch die Streifen
ein Strom bis zu 20 mA fließt.
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Durch das Meßgerät fließt also Gleichstrom, der der dynamischen Dehnungsamplitude
direkt proportional ist.
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Hinsichtlich der Verwendung der neuen Schwingungsmessung in der Auswuchttechnik
ergibt sich als Vorteil, daß damit ebenso wegelos wie mit piezoelektrischen Schwingungsaufnehmern
gemessen, dabei aber deren bekannte Nachteile vermieden und auch ein Verstärker,
zumindest ein empfindlicher Verstärker, überflüssig werden kann.
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Die Dehnungsmeßstreifen lassen sich an einem Federdynamometer anbringen
oder - bei überkritischer Messung - an den Stützfedern der Lagerbrücken einer Wuchtmaschine.
Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierfür.
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Es ist: II der Lagerzapfen eines Wuchtkörpers, 12 das Wuchtmaschinenlager
für den Wuchtkörperlagerzapfen, I3 die schwingende Lagerbrücke, I4, 14a die Stützfedern
der schwingenden Lagerbrücke, I5 das Wuchtmaschinenfundament. I und 2 sind clie
Dehnungsmeßstreifen an der Außenseite, 3 und 4 die Dehnungsmeßstreifen an der Innenseite
der Stützfeder 14.
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Die Wirkungsweise der Schwingungsmessungen einer solchen Wuchtmaschine
ist folgende: Mit dem Wuchtkörper ist ein Wechselstromgeber gekuppelt, dessen Strom
durch die Deßhnungsmeßstreifen in der geschilderten Brückenschaltung geschickt wird.
Das Galvanometer zeigt einen Strom an, seine Anzeige ist proportional dem Unwuchtanteil,
der in Phase mit dem Wechselstrom liegt.
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Wenn der Wechselstromgeber in bekannter Weise drehbar oder zur Abgabe
von Zweiphasenströmen eingerichtet ist, so erhält man den Unwuchtvektor nach Größe
und Winkellage oder in Komponenten angezeigt.
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Wenn die neue Messung zur Eichung, Spannungs- oder Dehnungsmessung
an Pulsern, Flachbiege-, Torsions- oder ähnlichen Maschinen angewandt werden soll,
dann genügt es im allgemeinen, den Maschinenantrieb mit einem Phasengeber zu kuppeln,
dessen Stator drehbar ist.
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Ein Phasengeber mit einstellbarer Phasenlage, z. B. mit drehbarem
Stator, erlaubt ferner, die Erfindung zur Dämpfungsmessung an Bauteilen heranzuziehen.
Mit dem Bauteil wird ein ebenso hoch wie der Bauteil beanspruchtes, geeichtes Dynamometer
in einer dynamischen Prüfmaschine in Reihe geschaltet. Am Dynamometer angebrachte
Dehnungsmeßstreifen lassen die Kraft bzw. das Moment, also allgemein die Beanspruchung
messen, der das Dynamometer und der Bauteil ausgesetzt sind. Wenn außerdem die Stellungen
des Wechselstromgebers festgehalten werden, in denen der Ausschlag am Galvanometer
ein Maximum erreicht oder durch Null hindurchgeht und in diesen beiden Stellungen
das Galvanometer an die Dehnungsmeßstreifen auf dem Bauteil legt, so erhält man
zwei Werte, diezder Bauteilverformung enltsprechen und deren Quotient dem Tangens
des Dämpfungswinkels, also dem Phasenwinkel zwischen Beanspruchung und Verformung
gleichkommt. Hierbei ist vorausgesetzt, daß Beanspruchung und Verformung mit genügender
Genauigkeit harmonisch verlaufen. Der Dämpfungswinkel läßt sich auch unmittelbar
am Stator des Wechselstromgebers ablesen, wenn man ihn nach der Beanspruchungsmessung
derart verdreht, daß das Galvanometer entweder den Nulldurchgang oder das Maximum
der Verformung anzeigt.