Forum: Mechanik, Gehäuse, Werkzeug DMS: welche Brückenspannung kann ich erwarten?


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von Tobias P. (hubertus)


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Hallo allerseits

ich poste unter Mechanik, weil es meines erachtens ein mech. Problem 
ist. Könnte aber auch analog sein, 100% sicher bin ich nicht...

Folgendes. Ich möchte an einer feststehenden Welle ein statisches 
Drehmoment mit Dehnmesstreifen messen. Wie die DMS auszuwerten sind und 
wie sie verschaltet werden müssen ist mir klar. Ich verwende DMS die so 
aussehen:

https://www.omega.de/pptst/SGT_SHEAR_GAGES.html

davon 2 Stück auf gegenüberliegenden Seiten meiner Welle. Soweit so gut! 
aber jetzt will ich nicht einfach blind drauf los messen sondern erst 
mal wissen: in welchem Bereich liegt das zu erwartende Ausgangssignal 
der DMS-Brücke?

Ich habe mich mal in die Thematik eingelesen und gesehen, dass man bei 
der Torsion der Welle die Schubspannung angeben kann

wobei M mein Drehmoment ist, r der Radius der Welle und I deren 
Flächenträgheitsmoment. Soweit so gut, bei bekannter Geometrie kann ich 
ein tau berechnen. Jetzt ändert der DMS seinen Widerstand proportional 
zu tau? und wie ist denn da die Proportionalitätskonstante?

wenn man sich den Verdrehwinkel
anschaut, dann kommt man für praktisch jede praktibable Welle, die gross 
genug ist, damit man überhaupt einen DMS aufkleben kann, auf Werte im 
Milligrad-Bereich.
Die Frage lautet also: wie gross muss mein tau bzw. alpha sein, damit 
der DMS überhaupt reagiert? wenn ich den mit 20 bit Auflösung messe. 
Kann ich 10 Nm an einer 20 mm Aluwelle feststellen? kann ich 100 Nm noch 
feststellen? wie sieht es an einer Stahlwelle aus? ist meine Rechnung 
oben überhaupt richtig? wie empfindlich sind die DMS? irgendwie fehlt 
mir eine solche Angabe in den Datenblättern die ich bisher gefunden 
habe.

von Kevin M. (arduinolover)


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Die Brückenspannung von DMS ist je nachdem sehr unterschiedlich, aber 
immer sehr sehr klein. In der Regel im Bereich µV bis wenige mV.

von Tobias P. (hubertus)


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Kevin M. schrieb:
> In der Regel im Bereich µV bis wenige mV.

ja, das wusste ich. Ich müsste wohl noch erwähnen, dass mein ADC einen 
Verstärker x128 drin hat.

von Kevin M. (arduinolover)


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Dann 128x sehr wenig :D

Lass dir gesagt sein, dass das Auswerten von DMS nicht trivial ist. Die 
Brücken sind in der Regel nicht perfekt abgeglichen den DC Offset 
verstärkst du mit und hast unter Umständen gar kein Signal mehr. Dann 
muss der Verstärker ebenfalls sehr rauscharm sein. Alternativ kann man 
wenig oder nicht verstärken, muss dann aber extrem präzise messen. Und 
nein nur weil ein ADC 24 Bit hat heißt das nicht das man auch so genau 
messen kann.

von A. S. (achs)


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Die Wirkungsweise ist in Wikipedia gut erklärt:

https://de.wikipedia.org/wiki/Dehnungsmessstreifen#Wirkungsweise

Tobias P. schrieb:
> Soweit so gut!
> aber jetzt will ich nicht einfach blind drauf los messen sondern erst
> mal wissen: in welchem Bereich liegt das zu erwartende Ausgangssignal
> der DMS-Brücke?

Grob gesagt liegt die Widerstandsänderung in der Größenordnung der 
relativen Längenänderung. Also wenn Du einen dünnen Strich von 10mm auf 
die Welle zeichnest, wieviel wird er länger bei Deinem Torsionsmoment?

Bei 0,1µm z.B. (=1/100.000) würde sich der Widerstandswert um etwa 
(2..3)/100.000 erhöhen, also von 350R auf etwa 350.01R. Wobei der 
Grundwert ein vielfaches davon daneben liegt und die Temperatur mehr 
Einfluss nimmt. Darum die entsprechende Kompensation in der 
Auswerteschaltung. Im einfachsten Fall reicht ein Tischmultimeter mit 
Ohm-Messung für einen ersten Check. Durch die niedrigen Widerstandswerte 
des Sensors ist die Auswerteschaltung ziemlich gutmütig.

von Egon D. (egon_d)


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Tobias P. schrieb:

> Ich habe mich mal in die Thematik eingelesen
> [...]
> Jetzt ändert der DMS seinen Widerstand
> proportional zu tau? und wie ist denn da die
> Proportionalitätskonstante?

Nun ja, da Du Dich ja in das Thema eingelesen hast,
bist Du ohne Zweifel auch schon auf den "k-Faktor"
des DMS gestoßen...


> wenn man sich den Verdrehwinkel [...] anschaut,
> dann kommt man für praktisch jede praktibable Welle,
> die gross genug ist, damit man überhaupt einen DMS
> aufkleben kann, auf Werte im Milligrad-Bereich.

Nun ja, diese Verdrehung kann man näherungsweise in
die Scherung eines auf die Oberfläche gezeichneten
infinitesimalen Parallelogramms umrechnen. Dessen
eine Diagonale wird länger, die andere kürzer. Das
kann der DMS messen.


> Die Frage lautet also: wie gross muss mein tau bzw.
> alpha sein, damit der DMS überhaupt reagiert?

Der DMS reagiert immer.
Fraglich ist nur, ob Du seine Reaktion von der Drift
und dem allfälligen Rauschen unterscheiden kannst.
Unterhalb einer Deformation von 10^-7 wird das immer
schwieriger...


> wie empfindlich sind die DMS? irgendwie fehlt mir
> eine solche Angabe in den Datenblättern die ich
> bisher gefunden habe.

Verstehe ich nicht.

"Dehnmessstreifen" (=DMS) wandeln DEHNUNGEN, also
(relative) LÄNGENänderungen in Änderungen des
elektrischen Widerstandes um.

Zur Abschätzung kann man den Proportionalitätsfaktor
zu 1.00 annehmen -- eine Längenänderung von 10^-6
zeigt sich als eine Widerstandsänderung von 10^-6.

von Tobias P. (hubertus)


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Kevin M. schrieb:
> In der Regel im Bereich µV bis wenige mV.

ja, das wusste ich. Ich müsste wohl noch erwähnen, dass mein ADC einen 
Verstärker x128 drin hat.

A. S. schrieb:
> Bei 0,1µm z.B. (=1/100.000) würde sich der Widerstandswert um etwa
> (2..3)/100.000 erhöhen, also von 350R auf etwa 350.01R. Wobei der
> Grundwert ein vielfaches davon daneben liegt und die Temperatur mehr
> Einfluss nimmt. Darum die entsprechende Kompensation in der
> Auswerteschaltung. Im einfachsten Fall reicht ein Tischmultimeter mit
> Ohm-Messung für einen ersten Check. Durch die niedrigen Widerstandswerte
> des Sensors ist die Auswerteschaltung ziemlich gutmütig.

danke, genau sowas wollte ich wissen. Wie berechne ich die 
Längenänderung bei der Welle? anhand des Verdrehwinkels?

Egon D. schrieb:
> Verstehe ich nicht.
> "Dehnmessstreifen" (=DMS) wandeln DEHNUNGEN, also (relative)
> LÄNGENänderungen in Änderungen des elektrischen Widerstandes um.
> Zur Abschätzung kann man den Proportionalitätsfaktor zu 1.00 annehmen --
> eine Längenänderung von 10^-6 zeigt sich als eine Widerstandsänderung
> von 10^-6.

schon klar. Wie Gross ist diese Dehnung bei einer Welle, auf die ein 
Drehmoment wirkt?

Egon D. schrieb:
> Nun ja, da Du Dich ja in das Thema eingelesen hast, bist Du ohne Zweifel
> auch schon auf den "k-Faktor" des DMS gestoßen...

da du das verlinkte Datenblatt angeschaut hast, kannst du mir sagen wo 
ich dort den k-Faktor finde? ;-) entweder muss man den wissen oder 
irgendwie berechnen?! ich sehe nirgends eine Angabe dazu. Aber soll 
meistens um 2 herum sein.

von Achim S. (Gast)


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Tobias P. schrieb:
> da du das verlinkte Datenblatt angeschaut hast, kannst du mir sagen wo
> ich dort den k-Faktor finde? ;-) entweder muss man den wissen oder
> irgendwie berechnen?! ich sehe nirgends eine Angabe dazu. Aber soll
> meistens um 2 herum sein.

ja: der k-Faktor liegt für die typisch verwendeten Materialien bei 2 
(oder du kannst ihn für dein Material bei Wikipedia nachschlagen)
https://de.wikipedia.org/wiki/Dehnungsmessstreifen#DMS-Werkstoffe
Er setzte sich zu ungefähr gleich großen Teilen zusammen aus der 
Längenänderung und der damit verbundenen Querkontraktion.

Den genauen Wert misst der Hersteller des DMS aus und gibt ihn an - oder 
er macht das halt nicht. Dann musst du ggf. einen anderen Hersteller 
suchen.

Tobias P. schrieb:
> Wie berechne ich die
> Längenänderung bei der Welle? anhand des Verdrehwinkels?

ja

und hier
https://dms-technik.de/files/dms/DMS-Theorie.pdf

findest du eine übersichtliche Darstellung, welche Anordnungen der DMS 
auf dem Bauteil dann insgesamt zu welcher Brückenempfindlichkeit führen.

von Tobias P. (hubertus)


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Achim S. schrieb:
> ja: der k-Faktor liegt für die typisch verwendeten Materialien bei 2
> (oder du kannst ihn für dein Material bei Wikipedia nachschlagen)
> https://de.wikipedia.org/wiki/Dehnungsmessstreifen#DMS-Werkstoffe
> Er setzte sich zu ungefähr gleich großen Teilen zusammen aus der
> Längenänderung und der damit verbundenen Querkontraktion.
>
> Den genauen Wert misst der Hersteller des DMS aus und gibt ihn an - oder
> er macht das halt nicht. Dann musst du ggf. einen anderen Hersteller
> suchen.

ah ja eben, das hat mir gefehlt. Dann scheint das ein komischer 
Hersteller zu sein, wenn er den k-Wert nicht angibt. Nun gut. Dann nimmt 
man eben einen anderen Hersteller.

Achim S. schrieb:
> und hier
> https://dms-technik.de/files/dms/DMS-Theorie.pdf
>
> findest du eine übersichtliche Darstellung, welche Anordnungen der DMS
> auf dem Bauteil dann insgesamt zu welcher Brückenempfindlichkeit führen.

jup, das habe ich schon gesehen. Man braucht diese Winkelförmigen DMS 
mit 45° Winkel gengenüberliegend auf der Welle.

Verstehe ich das richtig: wenn ich über die Länge des DMS den 
Verdrehwinkel kenne, dann kann ich die Dehnung berechnen über

wobei alpha der Verdrehwinkel, r der Radius der Welle und l die Länge 
des DMS ist. Dann ist

und ich kann aus bekanntem k und berechnetem epsilon meine 
Widerstandsänderung bestimmen?

ich habe das jetzt mal überschlagen. Für meine Versuche kommen da 
Widerstandsänderungen im ein- bis zweistelligen Milliohmbereich raus. 
Das scheint wohl plausibel zu  sein? mit einem HP Multimeter mit 6 
Digits sollte das ja messbar sein.

: Bearbeitet durch User
von Alexander H. (ill_son)


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Als guten Einstieg und auch für Leute mit Kenntnissen kannst Du ja mal 
die Messtechnischen Briefe von HBM lesen. Da ist das alles haarklein 
beschrieben, von den mechanischen Größen und Zusammenhängen bis hin zur 
Umsetzung zur elektrischen Größe mittels DMS. Da gibt es auch eine 
interessantes Dokument "Der Weg zum Messgrößenaufnehmer".

von Pandur S. (jetztnicht)


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Die ganzen Offsets und Temperaturabhaenighkeiten kriegt man raus indem 
man die Bruecke mit AC anregt. Denn AC Verstaerkungen kosten nichts, 
waehrend DC Verstaerkungen immer mit Offsets behaftet sind. Das 
Zauberwort heisst hier Lock-in Verstaerker.
Also mit AC, zB 10kHz anregen, den Brueckenausgang um 50dB oder so 
verstaerken, synchron Gleichrichten, und der 20 Bit ADC kommt dahinter.

Allenfalls mal die ADA2200 und AD630 anschauen.
Das zusaetzliche Problem hier ist dass die AC Verstaerkung auf der sich 
drehenden Welle geschehen muss. Also Speisung auf die Welle, 
Verstaerktes Signal zurueck.

Eine Herausforderung ist immer gut.

von Tobias P. (hubertus)


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Pandur S. schrieb:
> Das zusaetzliche Problem hier ist dass die AC Verstaerkung auf der sich
> drehenden Welle geschehen muss. Also Speisung auf die Welle,
> Verstaerktes Signal zurueck.
>
> Eine Herausforderung ist immer gut.

nee, ich messe statisches Drehmoment, da dreht sich nichts ;-)

von Pandur S. (jetztnicht)


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Aha, dann kannst du ja irgend eine Form nehmen, welche ein gutes Signal 
ergibt. Das muss dann keine Welle sein, welche sich verwindet. Kann auch 
ein Blechstreifen seil, welcher sich unter Torsion verwindet.
Wichtig ist einfach, dass sich das verformende Teil im elastischen 
Bereich befindet und auch dort bleibt.

: Bearbeitet durch User
von Tobias P. (hubertus)


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Vermutlich.

Ich habe jetzt in einem bekannten Auktionshaus eine 50er Packung DMS von 
HBM gefunden, offenbar aus einer Firmenauflösung oder ähnliches - war 
aber nicht sehr teuer, daher kann ich damit dann wohl gut ein paar 
Experimente machen. Sind aber leider 120 Ohm Typen. Aber haben dafür 
fast nichts gekostet ;-)

von 2aggressive (Gast)


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Tobias P. schrieb:
> mit einem HP Multimeter mit 6
> Digits sollte das ja messbar sein.
Vorschlag alternativ: Deine Welle drehbar Lagern, hebel drantüdeln, und 
eine handelsübliche Waage verwenden. Mit Federwaage sogar ohne Batterien 
:D

von Tobias P. (hubertus)


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Hallo allerseits

meine DMS aus der Bucht sind gestern schon angekommen. Ich habe sie 
sofort mit Secunden Kleber auf ein Inox Rohr aufgeklebt, das gerade 
herum lag. Die Wandstärke ist ca. 2mm und der Durchmesser 20mm.
Ich habe die DMS als Wheatstone-Brücke verschaltet und mit 5 Volt 
gespeist.

Mit dem HP Multimeter konnte ich messen, dass im unbelasteten Zustand 
die Brückenspannun ca. 1mV war. Dies konnte ich als Offset im Multimeter 
setzen. Wenn man von Hand ein Drehmoment an das Rohr gab, konnte man im 
Multimeter recht gut beobachten, wie je nach Drehrichtung die gemessene 
Spannung +/-20 Mikrovolt betrug.

Ich habe mir gedacht, einen ADS124 als ADC zu verwenden. Mit dem Gain 
von 128 sollten die 20 Mikrovolt gut messbar sein. Vermutlich geht das 
sogar noch besser, wenn man eine ratiometrische Messung macht.

von DMS-Anwender (Gast)


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Tobias P. schrieb:
>> Den genauen Wert misst der Hersteller des DMS aus und gibt ihn an - oder
>> er macht das halt nicht. Dann musst du ggf. einen anderen Hersteller
>> suchen.
>
> ah ja eben, das hat mir gefehlt. Dann scheint das ein komischer
> Hersteller zu sein, wenn er den k-Wert nicht angibt. Nun gut. Dann nimmt
> man eben einen anderen Hersteller.

Für die überschlägige Dimensionierng der Auswerteschaltung ist die 
Annahme eines k-Faktors von 2 ausreichend. Das gilt zumindest für 
übliche Metall-DMS.
Im Katalog-Datenblatt steht der exakte k-Faktor normalerweise bei keinem 
Hersteller, da er nicht für den DMS-Typ sondern für die jeweilige 
DMS-Charge vom Hersteller bestimmt wird und auf dem der Packung 
beiliegendem Datenblatt angegeben ist oder über die Chargen-Nr. auf der 
Webseite des Herstellers nachzuschlagen ist. Das macht z.B. HBK (ehemals 
HBM) so.

von Tobias P. (hubertus)


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DMS-Anwender schrieb:
> Im Katalog-Datenblatt steht der exakte k-Faktor normalerweise bei keinem
> Hersteller, da er nicht für den DMS-Typ sondern für die jeweilige
> DMS-Charge vom Hersteller bestimmt wird und auf dem der Packung
> beiliegendem Datenblatt angegeben ist oder über die Chargen-Nr. auf der
> Webseite des Herstellers nachzuschlagen ist. Das macht z.B. HBK (ehemals
> HBM) so.

ja, das habe ich jetzt auch herausgefunden. Die DMS die ich hier habe 
sind zwar alt, aber noch in der Originalverpackung. Dort sind recht 
viele Messwerte drauf angegeben, ua. k-Faktor mit Unsicherheit, sowie 
ein Diagramm mit dem Temperaturkoeffizienten usw.

Ob die 20 Mikrovolt, die ich gemessen habe, realistisch sind oder auf 
Messfehler meinerseits zurückzuführen sind, weiss ich nicht. Aber 
bemerkenswert fand ich schon, dass sich die Spannung änderte, wenn ich 
an der Welle mit der Hand zu drehen versuchte.

von A. S. (achs)


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Tobias P. schrieb:
> Aber
> bemerkenswert fand ich schon, dass sich die Spannung änderte, wenn ich
> an der Welle mit der Hand zu drehen versuchte.

In der Lehre vor 30 Jahren im Chemiewerk wir ich in einer Abteilung, die 
per DMS Stützen und Fernleitungen überwachte. Im Labor stand eine 
Stahl-Stange, etwa 20cm hoch und ein Zoll im Durchmesser, mit 
angeschlossenem DMS und Auswertegerät. Der Leichte Druck mit einem 
Finger an der langen Hand machte mehrere Digits aus (also nicht mit 
Aufstützen oder so, eher 100g).

DMS gehören zu den genausten Messprinzipien ÜBERHAUPT im Alltag, 
zumindest damals. Das schließt die meisten hochpräzisen Wagen mit ein. .

von Purzel H. (hacky)


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Die hochpraezisen Waagen eher nicht. Die arbeiten mit offenen 
Ferritkernen, welche auf konstanten Spalt gezogen werden. Die 
Kraft(Gewicht) ist dann streng proportional dem Strom

von Tobias P. (hubertus)


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Hallo zusammen,
ich will nochmals ein paar Experimente mit DMS machen, diesmal aber an 
einem Biegebalken um eine Kraft zu messen.

a) spielt die Platzierung der DMS auf dem Biegebalken eine grosse Rolle? 
wenn ich mir Bilder angucke sind die immer so im hinteren Drittel.

b) die DMS kann ich ja mit Sekundenkleber montieren. Ist es allenfalls 
schlau, etwas (elektroniktaugliches) Silikon darüber zu schmieren, um 
sie vor Umwelteinflüssen (Feuchte, Staub) zu schützen? lohnt es sich, 
statt Sekundenkleber Epoxyharz oder Aralditkleber zu benutzen? die sind 
halt nicht so schön dünnflüssig...

c) ich möchte die DMS gerne mit einem ADS124S06 auswerten. Die 
Brückenspannung würde ich gleich als Referenzspannung für den ADC nehmen 
und so eine ratiometrische Messung machen. Dieser ADC könnte allerdings 
auch noch mittels internem MUX die Brückenspannung umpolen und so 
bipolar messen. Bringt das was, ist das sinnvoll? bei PRTs macht man das 
ja, um Thermospannungen von Steckern usw. loszuwerden.


Danke für jegliche Tips!

: Bearbeitet durch User
von Udo S. (urschmitt)


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Tobias P. schrieb:
> a) spielt die Platzierung der DMS auf dem Biegebalken eine grosse Rolle?
> wenn ich mir Bilder angucke sind die immer so im hinteren Drittel.

Natürlich. Du platzierst die DMS so, dass die Längenänderung möglichst 
groß ist.
Das ist eine rein mechanische Aufgabenstellung.
Schau dir doch mal käufliche Kraftaufnehmer an.

von MaWin (Gast)


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Tobias P. schrieb:
> spielt die Platzierung der DMS auf dem Biegebalken eine grosse Rolle?

Da, wo es sich biegt. Biegebalken haben ja normalerweise absichtlich 
geschwächte Zonen.

> b) die DMS kann ich ja mit Sekundenkleber montieren. Ist es allenfalls
> schlau, etwas (elektroniktaugliches) Silikon darüber zu schmieren, um
> sie vor Umwelteinflüssen (Feuchte, Staub) zu schützen? lohnt es sich,
> statt Sekundenkleber Epoxyharz oder Aralditkleber zu benutzen? die sind
> halt nicht so schön dünnflüssig...

DMS sind billig, die Kunst ist das Aufkleben.
Cyanoacrylat ist üblich 
https://www.althensensors.com/de/althenpedia_de/dms-richtig-kleben/ aber 
nicht jeder klebt scherftei, nimm kein Gel und keinen mit Füller.

> c) ich möchte die DMS gerne mit einem ADS124S06 auswerten. Die
> Brückenspannung würde ich gleich als Referenzspannung für den ADC nehmen
> und so eine ratiometrische Messung machen. Dies

Gut.

> Bringt das was, ist das sinnvoll

Sicher, bei Mikrovolt muss man Thermospannungen eliminieren.

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