EinfÃ¼hrung Messtechnik - Centre of Structure Technologies

Toolskurs 

Einführung Messtechnik 

Thomas Heinrich 

IMES-ST 

CENTRE OF STRUCTURE TECHNOLOGIES 


18.02.2013, page 1


• Wozu messen? 

• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 

• Dehnmessstreifen 

• Wheatstonesche 

Brückenschaltung 

Wozu messen (im Composite-Labor)? 

• Verifikation von Simulationen 

• Materialprüfung 

• Steuergrössen für Regelkreise 

• . . . 



18.02.2013, page 2



• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




Inhalt 

• Wozu messen wir? 

• Messkette 

• Dehnungsmessung – Sensoren 

• Dehnungsmessung – Dehnmessstreifen 

• Dehnungsmessung – Elektrischer Schaltkreis 



18.02.2013, page 3


• Wozu messen wir? 

• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Messkette 

• Prinzipieller Aufbau mit passiven Sensoren (Resistiv, Kapazitiv, Induktiv) 



18.02.2013, page 4



• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Messkette 

Messfehler 

Jede Messung unterliegt störenden Einflüssen! Folglich weicht jeder 

Messwert vom effektiven IST-Wert ab. 

Messfehler = Zufälliger + Systematischer Messfehler 

Zufälliger Messfehler: ist nicht reproduzier, regellose Werteverteilung 

Systematische Messfehler: ergibt reproduzierbare Messwertabweichung 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Messkette 

• Fehleranfälligkeit 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Messkette 

Messfehler 

• Bei mehreren Messgrössen lässt sich die Unsicherheit der Ausgangsgrösse 

mittels der Fehlerfortpflanzungs-Regeln berechnen. 

• Für das Abschätzen der Messunsicherheit der gesamten Messkette kann das 

Verfahren nach GUM verwendet werden. 

GUM - Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement; 

ISO/IEC Guide 98-3:2008 

Guide to the expression of uncertainty in measurement: 

www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_100_2008_E.pdf 



18.02.2013, page 7



• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Messkette 

• Systematische Messfehler 

• Sensor: Montage + Anschluss 

Korrekte Montage 

Kalte Lötstellen vermeiden 

• Elektromagnetische Strahlung EMV 

Signalkabel möglichst kurz halten und verdrillen 

Differenzielle Schaltung 

Hochwertige, geschirmte Kabel und Stecker verwenden 

• Temperatur 

Einfluss von Temperaturschwankungen ist erheblich 

Spezieller Schaltung- und Signalleitungsaufbau 

• Weitere Einflüsse (nicht abschliessend) 

Justierfehler, fehlende Kalibrierung, Fehlbedienung, Programmierfehler 

in der Software, Schwingungen, Feuchtigkeit, Druckschwankungen 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Messkette 

• Zusammenfassung 

• Es gibt keine absolute Messgenauigkeit. Jeder Messwert ist mir 

Unsicherheit behaftet. 

• Der zeitliche und finanzielle Aufwand wächst mit der Genauigkeit 

exponentiell 

• Folgerung 

• Messkette einfach halten 

• Möglichst kurze Verbindungskabel 

• Eine Messstelle genauer messen, als gefordert 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Messkette 

• „Klassischer“ Messaufbau im (Composite)-Labor 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Sensoren zur Dehnungsmessung 

• Messprinzipien 

• Mechanisch - Weg 

• Elektrisch - Ohmscher Widerstand 

• Optisch - Laser 

- Photographisch 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Sensoren 

• Messprinzip – Mechanisch 

• Weg - Messuhr, Extensometer 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Sensoren 

• Messprinzip – Elektrisch 

• Ohmscher Widerstand 

- Dehnmessstreifen (DMS) 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 


• Sensoren 

• Messprinzip – Optisch; Laser 

• Faser-Bragg-Gitter - Dehnmessstreifen DMS 



• Triangulation - Laserscanner 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 


• Sensoren 

• Messprinzip – Optisch / Kamera 

• 3D-Digitalisierer 





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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Dehnmessstreifen - DMS 

• Bewährtes und verbreitetes Messverfahren (pat. 1938) 

• Einfaches Funktionsprinzip 

• Prinzipiell einfache Anwendung 

• Breites Einsatzspektrum 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 





• Aufbau 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 





• Dehnung Definition 

 

L 

L 0 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 





• Prinzip 

elektrischer Widerstand im Drahtleiter 

l l 4l 

R 

2 

2 

A D D 

 

 

2 

Relative Widerstandsänderung 

R 

R 

R 

R 

 

l 

l 

2 

l l 

D 

Querzahl : D 

l 

l 

Piezoresistiver Effekt Geometrischer Effekt 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 

 

1 

2 

K 

 

 

 

 

 

 

R 

R 

K 



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• Inhalt 

• Dehnungsmessung 

• Messkette 

• Sensoren 




• Zweiachsiger 

Spannungszustand 


• Beispiel; HBM 1-LY11-6/120A 

R 

R 

K K 2. 03 

R Nenn 

120 

m 

10C 

0.0108% 10. 

8 

m 

4 

R K 

RNenn 2.041.0810 

120 0.0264 26. 4m 

Die Widerstandsänderungen sind sehr klein. 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Wheatstonesche Brückenschaltung 

Ein Dehnmessstreifen ist ein Widerstand passives Bauteil. 

Die Widerstandsänderung kann erst durch die Integration in eine elektrische 

Basisschaltung (Wheatstone-Brücke) ermittelt werden. 

10V 

U 

A 

U 

B 

R1 

 

 

R1 

R2 

R 

3 

 

R R 

 

3 

 

4 

120 

120 

5V 

0V 

5V 

U 

U 

A 

B 

 

1 R1 

 

 

4 R1 

R2 

 

R2 

R 

 

R 

3 

3 

R 

 

R 

4 

4 

 

 

 

R 

R 

K 

120 

120 

U 

U 

A 

B 

K 

4 

 

 

 

1 

2 

3 

4 

 

U A = Brücken-Ausgangsspannung 

U B = Brücken-Versorgungsspannung 

0V 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 





• Einfache Brückenschaltung 

- Viertelbrücke an einem Zugstab 

 

2 

 

3 

 

4 

 

U 

U 

A 

B 

K 

 

4 

U 

 

l 

 

U 

 

A 

B 

4 

 

K 

0 

0 0 0 

1 

 

K 

1 

4 

U 

Normalspannung : 

n 

 

l 

E 

U 

U 

Zugkraft: F 

n 

A l 

E A 

U 

4 

E 

K 

• Charakteristika: 

- keine Temperaturkompensation 

- keine Kontrolle der Spannungsrichtung 

- einfacher Aufbau 

A 

B 

A 

B 

4 

E A 

K 



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• Inhalt 


• Messkette 

• Sensoren 




• Beispiel; HBM 1-LY11-6/120A 

K 2.04 R Nenn 

120 

m 

0.0108% 

108 

m 

R 

R 

K 

R 

K R 

4.999449V 

120.0264 

551V 

120 

5V 

10V 

R 

R 

2.04 1.0810 

26.4m 

4 

120 

U 

U 

U 

A 

A 

A 

K 

U 

B 

 

1 

 

2 

 

3 

 

4 

 

4 

2.04 

10V 

(0.000108 

0 0 0) 

4 

551V 

120 

120 

0V 



18.02.2013, page 23



• Inhalt 


• Messkette 

• Sensoren 




• Temperaturproblematik 

Viertelbrücke 

 

‘‘ 

 

Total 

 

Spannung 

 

Temperatur 

 

T 

 

 

U 

U 

A 

B 

 

K 

4 

 

 

K 

4 

 

 

 

 

 

T 

Längenausdehnungskoeffizient α: 

Stahl: 13•10 -6 K -1 

Aluminium: 23•10 -6 K -1 

Konstantan: 15.2•10 -6 K -1 

CFRP q : 0.2•10 -6 K -1 

CFRP r : 30•10 -6 K -1 CENTRE OF STRUCTURE TECHNOLOGIES 


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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 





• Halbbrücke - Temperaturkompensation 

U 

U 

U 

U 

A 

B 

A 

B 

K 

 

4 

K 

 

4 

 

 

 

1 

 

1 

2 

 

1 

3 

 

2 

4 

 

 

2 

 

3 

 

3 

 

4 

 

4 

 

‘ ‘‘ 

 

 

' 

'' 

 

 

1 

3 

 

 

2 

4 

 

 

3 

2 

 

0 

4 

0 

U 

U 

U 

U 

A 

B 

A 

B 

 

 

K 

4 

K 

4 

 

 

 

1 

1 

0 0 0 

' 

' 

'' 

'' 

 

• Charakteristika: 

- Temperaturkompensation 

- keine Kontrolle der Spannungsrichtung 

- zusätzlicher Aufwand 



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• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




• Zweiachsiger Spannungszustand 

Hauptspannungsrichtungen 

 

1,2 

 

E 

a 

 

b 

 

c 

E 

 

1 

3 1 

1 

2 

3 

 

b 

 

c 

arctan 

 

2 

a 

 

b 

 

c 

 

 

 

 

 

2 

a 

 

b 

 

c 

 

3 

2 

 

1 

 

b 

 

c 

3 

 

2 



18.02.2013, page 26



• Inhalt 

• Messkette 

• Sensoren 




Viel Erfolg beim Messen ! 



18.02.2013, page 27

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