Kraft- und Drehmomentsensoren auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) sind das Standardwerkzeug, wenn in Produktentwicklung und Qualitätssicherung Kräfte gemessen werden. Dieser Beitrag erklärt das Messprinzip verständlich und gibt praktische Tipps für Auswahl und Betrieb – gedacht für Einsteiger und Anwender, nicht als vollständige technische Dokumentation.
Auf einen Blick
- Prinzip: Ein DMS ändert bei Dehnung seinen elektrischen Widerstand; eine Brückenschaltung macht diese Änderung messbar.
- Praxis: In der Prüftechnik nutzt man fertige Kraft- und Drehmomentsensoren statt selbst aufgeklebter DMS.
- Auswahl: Sensor möglichst nahe am Nennbereich einsetzen – Genauigkeitsangaben beziehen sich meist auf den Endwert.
- Betrieb: Querkräfte vermeiden, Überlastschutz einplanen, regelmäßig kalibrieren.
Aufbau und Wirkungsweise eines Dehnungsmessstreifens
Ein Dehnungsmessstreifen (englisch: Strain Gauge) misst Dehnungen und Stauchungen in einem Material. Er besteht aus einem dünnen Metalldraht oder einer Metallfolie auf einer flexiblen Trägerschicht. Das Messgitter ist mäanderförmig angeordnet, um auf kleiner Fläche eine möglichst große Leiterlänge unterzubringen. Wird der DMS gedehnt, verformt sich das Gitter mit und ändert seinen elektrischen Widerstand.
Gemessen wird diese Änderung mit einer Brückenschaltung, an die eine Speisespannung angelegt wird – zum Beispiel 5 oder 10 Volt Gleichspannung. Die elektrische Größe allein sagt noch wenig aus; erst die Umrechnung in eine physikalische Größe wie Kraft macht sie verwertbar.
Vom Dehnungsmessstreifen zum Sensor
Damit aus einem DMS ein Messinstrument wird, sind vier Schritte nötig:
- Applizieren: Der DMS wird auf das Bauteil geklebt. Entscheidend ist eine feste, durchgehende Verbindung und die richtige Ausrichtung zur Kraftrichtung – sonst wird die Dehnung falsch übertragen.
- Zusammenhang herstellen: Der DMS misst nur die Verformung. Um daraus Kraft oder mechanische Spannung zu berechnen, müssen Material- und Querschnittswerte des Bauteils bekannt sein.
- Kalibrieren: Durch Vergleich mit einem Referenzsystem, zum Beispiel genormten Gewichten, wird der Kalibrierfaktor ermittelt – das Verhältnis zwischen Widerstandsänderung und Kraft.
- Auswerten: Messelektronik und Software rechnen die Signale laufend in die gewünschte Größe um.
Die ersten beiden Schritte übernehmen bei einbaufertigen Sensoren die Hersteller. In der Forschung oder an großen Bauwerken werden DMS dagegen direkt auf das Bauteil geklebt – das erfordert erfahrenes Fachpersonal.
Wo DMS-Sensoren eingesetzt werden
- Werkstofftechnik: Dehnung und Spannung bei der Entwicklung neuer Materialien
- Fahrzeugtechnik: Belastungen in Bremsen, Fahrwerk, Getriebe und Motor
- Medizintechnik: Dehnungen in Implantaten und Prothesen, Belastungen von Gelenken
- Luft- und Raumfahrt: Belastungen in Flügeln, Triebwerken und Fahrwerken
- Bauwesen und Geotechnik: Spannungen in Brücken, Tunneln und Gebäuden
- Prüftechnik: Kraft- und Drehmomentmessung bei Funktions- und Dauertests, zum Beispiel bei der Produktprüfung von Konsumgütern
Bauformen in der Prüftechnik: Kraft- und Drehmomentsensoren
Selbst aufgeklebte DMS sind fehleranfällig und erfordern viel Erfahrung. In der Prüftechnik setzt man deshalb fertige Sensoren mit standardisierter Messtechnik ein. Die Hersteller bringen die DMS auf einen Stahlkörper auf, verdrahten sie anschlussfertig und vergießen oder kapseln alles. Am häufigsten sind Kraftsensoren für Zug und Druck sowie Drehmomentsensoren.
Im SMARTTESTER® System werden solche Sensoren direkt an die Messtechnik-Module angeschlossen: Der DMS-Eingang SME-DF04 wertet bis zu vier Sensoren über integrierte Messbrücken aus, die achtfache Variante bis zu acht. Für schnelle Kraftverläufe gibt es Oversampling-Ausführungen mit hoher Abtastrate. Sensoren werden in der SMARTTESTER® Software verwaltet und dort bei Bedarf kalibriert.
Tipps aus der Praxis für die Sensorauswahl
- Nahe am Nennbereich messen: Ein 5.000-N-Sensor zeigt zwar auch bei 20 N Werte an, sie sind aber ungenau. Nach unserer Erfahrung liefern Sensoren ab etwa der Hälfte ihres Nennwerts sehr gute Genauigkeiten.
- In Einsatzrichtung kalibrieren: Die meisten Kraftsensoren messen Zug (positive Werte) und Druck (negative Werte). Da sich beide Richtungen leicht unterschiedlich verhalten, sollte in der geplanten Richtung kalibriert werden.
- Genauigkeit richtig lesen: Angaben wie „±1 % v. E.“ beziehen sich auf den Endwert. Ein 500-N-Sensor misst damit auf ±5 N genau – bei 10 N Messwert wären das 50 % Toleranz, bei 500 N tatsächlich 1 %.
- Fremdkräfte ausschließen: Querkräfte und Momente verfälschen die Messung und können den Sensor zerstören. Der Prüfaufbau sollte den Sensor nur in Messrichtung belasten.
- Die ganze Messkette betrachten: Sensor, Kabel, Steckverbinder und Messelektronik bestimmen gemeinsam die Genauigkeit. Als Faustregel aus unserer Erfahrung sollte der Sensor deutlich – bis etwa Faktor 10 – genauer sein, als die Messaufgabe verlangt.
Worauf Sie im Betrieb achten sollten
- Überlast einplanen: Fehlbedienungen passieren. Sollbruchstellen, Überlastkupplungen oder Sensoren mit eingebautem Überlastschutz verhindern teure Schäden. Solche Sensoren „sitzen auf Block“ und vertragen meist 200 bis 500 % der Nennkraft.
- Kabel schützen: In Prüfaufbauten mit bewegten Teilen dürfen Sensorkabel nicht gequetscht werden. Für viele Bewegungszyklen empfiehlt sich ein schleppkettenfähiges Zwischenkabel – jeder zusätzliche Steckverbinder kann das Signal allerdings verschlechtern.
- Regelmäßig kalibrieren: Bewährt hat sich eine jährliche Überprüfung gegen ein Referenzsystem, oft durch einen externen Dienstleister. Planen Sie Budget und Stillstandszeit dafür ein.
Häufige Fragen zu DMS-Sensoren
Was ist ein DMS-Sensor?
Ein DMS-Sensor ist ein Kraft- oder Drehmomentsensor, in dem Dehnungsmessstreifen auf einen Verformungskörper geklebt sind. Die Dehnung des Körpers ändert den Widerstand der DMS, eine Brückenschaltung macht die Änderung messbar.
Wie genau misst ein DMS-Kraftsensor?
Die Genauigkeit wird meist in Prozent vom Endwert angegeben, zum Beispiel ±1 % v. E. Wirklich genau misst ein Sensor deshalb vor allem im oberen Teil seines Messbereichs.
Welchen Messbereich sollte ich wählen?
Den kleinsten Messbereich, der die maximal auftretende Kraft sicher abdeckt. Nach unserer Erfahrung arbeiten Sensoren ab etwa der Hälfte ihres Nennwerts sehr genau. Ein Überlastschutz fängt unerwartete Spitzen ab.
Wie oft muss ein DMS-Sensor kalibriert werden?
In der Praxis hat sich eine jährliche Überprüfung gegen ein Referenzsystem bewährt. Je nach Branche und Qualitätsmanagement können kürzere Intervalle vorgeschrieben sein.
Kann ich vorhandene DMS-Sensoren am SMARTTESTER® System verwenden?
Ja. Die DMS-Eingänge werten standardisierte DMS-Sensoren aus, sowohl eigene SMARTTESTER® Sensoren als auch Standard-Sensoren anderer Hersteller.
Fazit
DMS-basierte Sensoren sind vielseitige, bewährte Messinstrumente – von der Werkstoffforschung bis zur Luftfahrt. In der Prüftechnik zahlt es sich aus, auf fertige Sensoren und abgestimmte Messtechnik zu setzen: Das reduziert Fehlerquellen, und die Messung fügt sich nahtlos in Prüfablauf und Dokumentation ein.
