Technische Universität Chemnitz Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Professur für Mess- und Sensortechnik

Vorbereitung und Protokoll zum Praktikum „Elektronische Messtechnik“ Versuch:

Dehnungsmessstreifen DMS1

Versuchstag: 15.11.2000

Laborgruppe: Ruggaber, Andreas Trommer, Henry Trommer, Thomas Zschiegner, Norman

Betreuer:

Herr Pennig

Signum/Bemerkung: .................................

© Thomas Trommer & Norman Zschiegner

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Versuchsvorbereitung 3.1Aufgaben zur Versuchsvorbereitung 3.1.1.Welche charakteristischen Merkmale besitzen Folien-DMS im vergleich zu anderen DMS? ⇒ dünne Beschichtung ⇒ eng zusammen ⇒ passt sich gut auf dem Ausdehnungskörper an ⇒ weiträumig einsetzbar, da leicht überall anzubringen ⇒ Ausdehnung vom Ausdehnungskörper wird gut übertragen ⇒ große Länge ⇒ große Widerstandsänderung ⇒ Länge und Breite kann optional von Ausdehnungskörper zu Ausdehnungskörper geändert werden 3.1.2.Wie müssen Dehnungsmessstreifen für Hochtemperaturmessungen konstruiert sein? ⇒ Trägermaterial muß geeignet sein, sich also nicht zu stark und auch nicht zu schwach ausdehnen ⇒ Dehnungsmessstreifen sollten Metallleiter und keine Halbleiter sein, da Halbleiter temperaturabhängig sind, zumindest bei höheren ⇒ Möglichst Doppel- oder Vierfach-DMS benutzen um Messgenauigkeit zu Erhöhen (Temperaturgang kompensieren) 3.1.3.Was wird unter Mehrfach-DMS verstanden? Zum Beispiel bei der Brückenschaltung werden Mehrfach-DMS genutzt. Das bedeutet, ganz einfach, dass mehrere DMS aus den Ausdehnungskörper angebracht werden. Einen immer so das er gestreckt und der andere gestaucht wird. Zum Beispiel Viertelbrücke Halbbrücke Vollbrücke

U meß UB U meß UB

=

1 ∆R ⋅ 4 R

=

1 ∆R ⋅ 2 R

U meß ∆R = UB R

Die Vollbrücke ist also 4 mal genauer als die Viertelbrücke. Sie ist so aufgebaut, das jeweils 2 DMS gestaucht und 2 gestreckt werden.

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3.1.4.Leiten Sie die Gleichung 14 (Empfindlichkeit der Vollbrücke für gleiche Brückenwiderstände R0 ) aus dem totalen Differential Gleichung 19 her! U meß UB

R1 R3 − R1 + R2 R3 + R4

=

;aus Schaltung aufgestellt

; R1 = R2 = R3 = R4 ⇒ R U meß UB U meß UB U meß UB

=

R + ∆R R − ∆R − R + ∆R + R − ∆R R + ∆R + R − ∆R

=

R + ∆R R − ∆R − 2R 2R

=

R + ∆R − R + ∆R 2∆R ∆R = = 2R 2R R

3.1.5.Ermitteln Sie rechnerisch die zu erwartende Brückenausgangsspannung für die Halbbrücke mit ⇒ DMS1 und DMS2 ⇒ DMS7 und DMS8 ⇒ DMS5 und DMS6 (Balken hochkant) in Abhängigkeit von der Belastung F(m) am Balkenende Gl. 19 und GL. 20 in Bild 8): Es gelten: E = 200GPa U B = 10V R0 = 350Ω

U meß UB

=

;δ =

1 ∆R ⋅ 2 R L⋅ F ⋅6 b ⋅ h2

E ×ε =

;

;ε =

L⋅ F ⋅6 b ⋅ h2

δ E ε=

L⋅ F ⋅6 b ⋅ h2 ⋅ E

∆R ∆l =k⋅ R l

U meß =

1 ⋅U B ⋅ k ⋅ ε 2

U meß =

6 k ⋅L⋅F ⋅U B ⋅ 2 b ⋅ h2 ⋅ E

U meß = 3 ⋅10V ⋅

2,06 ⋅ L ⋅ F ( m) b ⋅ h 2 ⋅ 200GPa

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U meß = 0,309 ⋅10 − 9

L ⋅ F ( m) b ⋅ h2

⇒ für DMS1 und DMS2

U meß = 0,4383mV ⋅ F (m)

⇒ für DMS7 und DMS8

U meß = 0,219149mV ⋅ F (m)

⇒ für DMS5 und DMS6

U meß = 0,1554248mV ⋅ F (m)

3.1.6.Erklären Sie, wie Fehlmessungen zustande kommen, wenn die Wellenlänge einer wellenförmigen Dehnungsschwingung bzw. Stoßwelle in der Größenordung der Messgitterlänge liegt! Wellenlänge = Länge Messgitterlänge ⇒ Anregung der Eigenfrequenz ⇒ Resonanz ⇒ maximale Amplitude ⇒ verfälscht Messwerte 3.1.7.Warum stellt der nicht applizierte Dehnungsmessstreifen noch keinen Sensor dar? Erklären Sie an Beispielen wie das Messobjekt (Verformungskörper) die Messergebnisse mitbestimmt! Ohne einen Verformungskörper kann gar nichts gemessen, da die Kraft die auf den Verformungskörper wirkt über diesen auf den Dehnungsmessstreifen übertragen und dort dann gemessen wird. Bsp. Für Beeinflussung: ⇒ lineare Dehnung ⇒ Verformbarkeit ⇒ Thermische Ausdehnung ⇒ bei zu großer Belastung des Verformungskörper geht er nicht mehr in die Ausgangsposition 3.1.8.Wie wirkt sich die Temperaturen auf die Kenngrößen des applizierten Dehnungsmessstreifen aus? In welcher Weise führen unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Dehnungsmessstreifen gegenüber dem Grundkörper (Messobjekt) zu Messfehlern? ⇒ Temperaturen können den k-Faktor stark beeinflussen, besonders bei Halbleitern, da der Widerstand des DMS sich ändert ⇒ unterschiedliche Ausdehnungen von DMS und Verformungskörper können eine Dehnung des Messobjektes vortäuschen ⇒ Temperaturgang der Messstelle ⇒

an Ausdehnungskoeffizienten angepasste DMS für mez. Messkörper

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3.1.9.Nach welchem Prinzip funktionieren selbstkompensierende DMS? ⇒ quasi doppelte DMS, gleiche Ausdehnung (thermisch) in Wheatston-Brücke als R1 und R2 auf einer Seite ⇒ bei Temperaturänderung gleichmäßige Änderung der Widerstände ⇒ unterschiedliche Ausdehnung der DMS durch unterschiedliche Applikation 3.1.10.Berechnen Sie die Längenänderung ∆l der DMS1 bzw. DMS2 bei Auflegen eine Massestückes von m=100g auf den Balken (aktive Messgitterlänge der DMS:1=6.35mm)! ∆l = l ⋅ ε

6⋅l ⋅ F b ⋅ h2 ⋅ E ∆l = 0.271µm ∆l = l ⋅

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Versuchsdurchführung 3.2.1.Bauen Sie mit Hilfe der Auswerteeinheit und verschiedenen Dehnungsmessstreifen Brückenschaltungen auf und gleichen Sie diese ab (Abgleichspannung U a < 5mV ausreichend.) Es sollen folgende Brückenschaltungen untersucht werden • Viertelbrücke mit DMS1, • Halbbrücke mit DMS1 und DMS2 oder DMS3 und DMS4, • Vollbrücke mit DMS1 bis DMS4 (nicht abgleichen) • Halbbrücke mit DMS7 und DMS8 • Halbbrücke mit DMS5 und DMS6 (Balken um 90° gedreht – hochkant) Ermitteln Sie die Kennlinien der Brückenschaltungen nach Aufgabe 3.2.1 ( U a des Auswertegerätes in Abhängigkeit von der Brückenschaltung). Legen Sie dabei nacheinander 5 Massestückes auf! Massestücke

U b in mV

U b in mV

DMS1

DMS1 und 2

0

0,4 mV

-0,3 mV

281,0 mV

0,0 mV

-0,2 mV

1

22,4 mV

43,5 mV

361,0 mV

22,0 mV

15,0 mV

2

44,6 mV

88,0 mV

440,0 mV

44,6 mV

30,2 mV

3

66,8 mV

132,5 mV

515,0 mV

67,7 mV

45,7 mV

4

89,1 mV

177,1 mV

595,0 mV

90,1 mV

61,2 mV

5

111,1 mV

221,0 mV

672,0 mV

112,7 mV

76,7 mV

U b in mV

U b in mV

DMS1 bis 4 DMS7 und 8 DMS5 und 6

450 DMS1

400

DMS1 und DMS2 DMS1 bis DMS4

350

DMS7 und DMS8 DMS5 und DMS6

U in mV

300 250 200 150 100 50 0 1

2

3 Massstücke

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6

U b in mV

4

5

3.2.2.Messen Sie die Kennlinien entsprechend Anstrich 3 der Aufgabe 3.2.1 nach Drehung des Balkens um 180° gegenüber der ursprünglichen Lage! Erklären Sie die Abweichungen der Messergebnisse gegenüber der ersten Messreihe! Massestücke

U b in mV

0

281,0 mV

58,1 mV

1

361,0 mV

137,2 mV

2

440,0 mV

216,0 mV

3

515,0 mV

296,0 mV

4

595,0 mV

370,0 mV

5

672,0 mV

448,0 mV

U b in mV ( 180° gedreht)

Man sieht in der Tabelle deutlich, dass zwar die Änderungen von R fast identisch sind, aber der 0-Wert sehr voneinander abweicht. Dies kommt zustande, weil durch die vielen Messungen von einer Seite der Verformungskörper minimal in eine Richtung verformt wird. Auch sehr gut kann man das in dem folgenden Diagramm sehen. Die beiden Geraden sind zwar fast parallel, schneiden aber die y-Achse in zwei unterschiedlichen Punkten schneiden. 800 normal

700

um 180 Grad verdreht 600

U in mV

500 400 300 200 100 0 1

2

3

4

5

Messwerte (von 0 bis 5 Massestücke)

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3.2.3.Vergleichen Sie die Ergebnisse der Messungen mit den entsprechenden Berechnungen der Vorbereitungsaufgabe 3.1.5! Allgemein ergab sich folgende Gleichung: U meß = 3U B ⋅

k ⋅L⋅F b ⋅ h2 ⋅ E

U meß = 3 ⋅10V ⋅

2,06 ⋅ L ⋅ F ( m) b ⋅ h 2 ⋅ 200GPa

L ⋅ F ( m) b ⋅ h2 Mit eingesetzten Werten kommt man dann zu den folgenden Ergebnissen: U meß = 0,309 ⋅10 − 9

Masse in g

U b in mV

U b in mV

U b in mV

U b in mV

U b in mV

U b in mV

DMS1 & 2 DMS1 & 2 DMS7 & 8 DMS7 & 8 DMS5 & 6 DMS5 & 6 (berechnet) (experim.) (berechnet) (experim.) (berechnet) (experim.)

100

43,8 mV

43,83 mV

22,0 mV

21,915 mV

15,2 mV

15,54 mV

200

88,8 mV

87,66 mV

44,6 mV

43,83 mV

30,4 mV

31,1 mV

300

132,8 mV

131,49 mV

67,7 mV

65,745 mV

45,9 mV

46,63 mV

400

177,3 mV

175,32 mV

90,1 mV

87,66 mV

61,4 mV

62,17 mV

500

221,3 mV

219,15 mV

112,7 mV

109,57 mV

76,9 mV

77,71 mV

Alle gemessenen Werte weichen nur minimal von den Berechneten ab. 3.2.4.Stellen Sie qualitativ den Einfluss durch Handwärme bei der Viertelbrücke am Beispiel eines Kohleschichtwiderstandes fest! Schätzen Sie bei der einwirkenden Temperaturänderung von ca. 10°C den äquivalenten Wert der Masse (Fehler) ein! U meß = 3U B ⋅

k ⋅L⋅F b ⋅ h2 ⋅ E

U meß = 3 ⋅10V ⋅

2,06 ⋅ L ⋅ F ( m) b ⋅ h 2 ⋅ 200GPa

U meß = 0,309 ⋅10 − 9

L ⋅ F ( m) b ⋅ h2

; R3 = 0mV ⇒ 60mV

; R4 = 0mV ⇒ −290mV

; ∆R = 230mV ; L = 0,5m ; b = 0,0141m ; h = 0,005m F ( m) =

U meß L 0,309 ⋅10 b ⋅ h2 −9

© Thomas Trommer & Norman Zschiegner

≈ 521g

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3.2.5.Nennen Sie Fehlerquellen, die sich im experimentellen Versuchsaufbau im Vergleich zu industriellen DMS-Applikationen ergeben können! •

persönliche Messfehler

•

ungenaue Messgeräte

•

?????

3.2.6.Ermitteln Sie mittels Oszilloskop die Frequenz der Eigenschwingung des Balkens ohne mit Belastung durch Massestücke! ohne Belastung mit Belastung

70ms 200ms

© Thomas Trommer & Norman Zschiegner

5Hz 14Hz

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