(hbo) Dehnungsmessstreifen (DMS) werden im Sport zur Messung von Kräften verwendet. Sie befinden sich beispielsweise in Kraftmessplatten zur Sprung-, Lauf- und Ganganalyse oder auch an der Tretkurbel eines Fahrradergometers.
Das Messprinzip basiert auf der Widerstandsänderung des DMS durch Dehnung
Doch wie funktioniert ein Dehnungsmessstreifen? Um das Funktionsprinzip zu verstehen, muss zunächst klargestellt werden, dass ein Dehnungsmessstreifen im Grunde nichts anderes als ein einfacher Widerstand ist. Wie jeder andere Widerstand auch ist ein DMS in seinem Widerstandswert durch Länge und Breite der Leiterbahn definiert. Dabei gilt: - je länger die Leiterbahn, desto höher der Widerstandswert
- je dünner die Leiterbahn, desto höher der Widerstandswert
Belastet man den DMS mechanisch durch Zug, Druck, Biegung oder Torsion, dann verändert sich dessen elektrischer Widerstandswert. Dies wird in folgendem Bild deutlich.
Bild 1: Eine Zugbelastung führt zur Dehnung und damit zu einer Vergrößerung des elektrischen Widerstandes
Bei Dehnung verlängert sich der Leiter, während seine Querschnittsfläche kleiner wird. Dies führt zur Vergrößerung des Widerstandswertes des DMS. In einem weiten Dehnbereich ist der Widerstandwert proportional zur Längsdehnung des Leiters. Die Querschnittsdehnung wirkt sich in diesem Bereich nicht aus.Bei DMS aus Halbleitermaterial bewirkt hauptsächlich der piezoresistive Effekt die Widerstandsänderung
Eine weitere Ursache für die Änderung des Widerstandswertes bei Verformung ist die Wirkung des piezoresistiven Effekts: Eine Verformung führt zur Veränderung der Beweglichkeit der freien Ladungsträger. Im Falle von Dehnung des Leiters kommt es zur Verringerung der freien Beweglichkeit, welche einen erhöhten Widerstandswert bewirkt. Bei Stauchung ist es genau umgekehrt. Der piezoresistive Effekt macht sich vor allem bei Dehnungsmessstreifen bemerkbar, bei denen die Leiterbahn aus Halbleitermaterial besteht.Durch kraftschlüssige Verbindung des DMS mit einem Messkörper wird die auf dem Messkörper einwirkende Kraft ermittelt
Nachdem festgestellt wurde, dass sich der elektrische Widerstand des DMS bei Dehnung ändert, stellt sich die Frage, wie sich diese Tatsache zur Kraftmessung nutzen lässt. Die Antwort ist folgende: Der Widerstand bzw. der DMS werden kraftschlüssig mit einem Messkörper verbunden. Wirkt eine Kraft auf dem Messkörper, führt dies zur Dehnung des Messkörpers, welche durch den Kraftschluss auch eine Dehnung und somit eine Widerstandsänderung im DMS bewirkt. Die Widerstandsänderung wird dann gemessen und ist ein Maß für die auf dem Messkörper wirkende Kraft. Dies gilt allerdings nur für Kräfte, die Dehnungen im Proportionalbereich (Hookesche Gerade) der Spannungs-Dehnungs-Kurve bewirken. Nur in diesem Bereich herrscht Proportionalität zwischen Dehnung und mechanischer Spannung. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve ist für jeden Messkörper verschieden. Bei geringen Kräften kann jedoch angenommen werden, dass man sich im Hookschen Bereich der Kurve befindet und die von Kräften hervorgerufenen Spannungen proportionale Dehnungen hervorrufen.Ein DMS besteht aus einem dünnen, langen Leiter in Mäanderform
Ein DMS ist im Grunde genommen ein einfacher Widerstand. In seinem Aufbau unterscheidet er sich jedoch von herkömmlichen diskreten Widerständen. Dies liegt vor allem daran, dass das physikalische Wirkprinzip bestmöglich verstärkt werden soll. Ein DMS besteht aus einem dünnen, langen Leiter in Mäanderform (Gitter), der auf einer Trägerfolie aufgebracht ist. Die vielen parallelen Leiterbahnen verstärken dann Effekt der Widerstandsänderung durch Dehnung. Je nach in welchen Richtungen Dehnungen detektiert werden sollen, gibt es eine große Auswahl von DMS mit verschiedenen Gitteranordnungen. Die Trägerfolie wird fest mit der Oberfläche des Körpers, an dem die Kraft ermittelt werden soll, verklebt.Durch eine Brückenschaltung wird die Widerstandsänderung in ein Spannungssignal umgeformt
Oben wurde erwähnt, dass die durch Kraftwirkung entstehende Änderung des elektrischen Widerstandes des DMS gemessen wird. Zur Messung gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei eine Methode sehr weit verbreitet ist: Brückenschaltungen. Mit Hilfe der Brückenschaltung wird Widerstandsänderung in einen Spannungswert transformiert. Dies hat im Gegensatz zu anderen Methoden den Vorteil, dass der Spannungswert proportional zur Dehnung und somit zur Kraft ist. Wirkt keine Kraft, ist auch das Spannungssignal Null. Dies ist bei anderen Methoden (einfache Strom- oder Spannungsmessung ohne Brückenschaltung) nicht so.
Die Auswahl der Art der Brückenschaltung (Vollbrücke, Halbbrücke oder Viertelbrücke) hängt von vielen Faktoren ab. Eine Vollbrückenschaltung bietet die höchste Sensitivität und die größte Störunterdrückung, benötigt jedoch auch mehr Platz. Vollbrückenschaltungen sind am weitesten verbreitet.Eine Vollbrücke liefert ein Spannungssignal in Abhängigkeit von den Widerstandswerten der DMS.
Bild 2: Eine Vollbrücke liefert ein Spannungssignal in Abhängigkeit von den Widerstandswerten. Die Widerstände sind die DMS, die je nach Verformung einen bestimmten Widerstandswert annehmen
Nachdem das Kraftsignal nun in Form einer Spannung vorliegt, kann es über einen ADU leicht in einen Rechner eingelesen und weiterverarbeitet werden. Im Allgemeinen ist noch rechnerintern eine Kalibrierung notwendig. Dazu wird der Messkörper mit genormten Kräften belastet und der zugehörige Spannungswert ermittelt. In der eigentlichen Messung kann dann aus den gemessenen Spannungen auf die wirkenden Kräfte geschlossen werden.Die Art der Anbringung der Dehnungsmessstreifen auf dem Messkörper hängt von den zu messenden Kräften ab
Je nachdem welche Kräfte gemessen werden sollen, müssen die Dehnungsmessstreifen in verschiedener Art und Weise auf dem Messkörper befestigt werden. Die folgende Abbildung zeigt als Beispiel die Anordnung von Dehnungsmessstreifen zur Messung von tangentialen und axialen Kräften.
Bild 3: Anordnung der DMS zur Ermittlung der Tangentialkraft (Bildquelle: ME-Meßsysteme GmbH)
Erklärung: Die Widerstände werden in oben abgebildeter Vollbrücke verschaltet. Dann ergibt die abgebildete Anordnung der DMS, dass nur tangentiale Kräfte zu einem Spannungssignal am Ausgang führen. Würden auf den abgebildeten Balken zum Beispiel Zug- oder Druckkräfte wirken, hätte dies keinen Einfluss auf das Spannungssignal am Ausgang. Hingegen bewirkt die in folgendem Bild dargestellte Art der Anordnung der DMS in Verbindung mit oben dargestellter Vollbrücke gerade die Detektion von Druck- und Zugkräften.
Bild 4: Anordnung von DMS zur Ermittlung von Zug- oder Druckkräften (Bildquelle: ME-Meßsysteme GmbH)
Kraftmessplatten und Fahrradergometer benutzen Dehnungsmessstreifen zum Messen von Kräften
Dehnungsmessstreifen finden zum Beispiel in Fahrradergometern wieder. Dort sind DMS auf die Tretkurbel geklebt. Oft sind die Dehnungsmessstreifen so wie in Bild 3 angebracht, dass sie ausschließlich tangentiale Kurbelkräfte messen, da dieses die einzigen dem Antrieb dienlichen Kräfte sind. Ein weiteres Einsatzgebiet für Dehnungsmessstreifen sind Kraftmessplatten. Dort messen sie die Bodenreaktionskräfte, die der Sportler beim Absprung auf die Kraftmessplatte ausübt. Daraus kann dann z. B. die Sprunghöhe errechnet werden.Vielen Dank: ME-Meßsysteme GmbH
