DMS-Sensor zur Krafterfassung in Antriebssystemen

Dehnungs- oder Dehnmessstreifen (DMS) sind äußerst empfindliche Messinstrumente beziehungsweise Sensoren, die minimale Verformungen an der Oberfläche von Bauteilen erfassen. Hierzu wandeln sie die mechanische Deformation in elektrische Widerstandsänderung um. Ihre Funktionsweise gründet auf dem piezoelektrischen Effekt, durch den ein Draht aus piezoelektrischem Material beim Strecken oder Stauchen seinen elektrischen Widerstand proportional zur Verformung ändert.

Schlüsselkomponenten in Technik und Elektronik

Elektronik-Entwicklung

Sensoren verstehen von der Funktion bis zur Anwendung

Sensoren messen, regeln und entscheiden – in Maschinen, Autos, Smartphones und der Medizintechnik. Ohne sie stünde moderne Technik still. Sie bilden das Fundament für intelligente Systeme und automatisierte Prozesse. Doch wie genau funktionieren sie?Hier finden Sie unseren großen Sensoren-Überblick.

Wie funktioniert ein DMS-Sensor zur Krafterfassung?

Aktuelle DMS bestehen meist aus extrem dünnen Messgittern von etwa 5 µm Schichtdicke. Sie sind in verschiedenen Ausführungen als Einzelelemente, Halbbrücken oder Vollbrücken mit unterschiedlichen Mäandern zur Messung von Biegespannungen, Torsions- und Schubspannungen erhältlich. Zu den Vorteilen von DMS-Sensoren zählen die Gewinnung absoluter Messwerte, Zug- und Druckmessungen ohne Vorspannung sowie statische Langzeitmessungen. Neben der hohen Messgenauigkeit zeichnen sich die Messstreifen bei akkurater Verarbeitung durch ihre langlebige Funktionstüchtigkeit aus.

Sicherheit und Autonomie für industrielle Roboter

Elektronik-Entwicklung

Wie Sensoren Roboter sensibel und intelligent machen

Aktuelle Roboter für die Industrie können sich autonom bewegen, ohne dabei Menschen in ihrem Umfeld zu gefährden. Intelligente Roboter kontrollieren zusätzlich ihre Geschwindigkeit und ihre Kraft und erkennen Objekte. Wie Sensoren dabei helfen.Hier erfahren Sie, wie Sensoren dabei helfen, dass aktuelle Roboter für die Industrie sich autonom bewegen können, ohne dabei Menschen in ihrem Umfeld zu gefährden.

Anforderungen an die Sensorapplikation

Eine zentrale Voraussetzung für die Messgenauigkeit besteht in der qualitativ hochwertigen Verbindung des DMS-Sensors mit der Oberfläche des Grundkörpers. Hierzu müssen die Vorspannungen im Trägermaterial vor der Messtreifen-Applikation mittels Temperaturlagerung gelöst werden. Da das im einstelligen mV-Bereich liegende Sensorsignal verstärkt werden muss, darf es nicht durch Rauschen oder andere Störfaktoren verzerrt werden. Zum Schutz vor Partikeleintrag sollten sensible Arbeitsschritte unter Reinraumbedingungen durchgeführt werden.

Durch Laserpolitur erhält das Objekt an der Klebestelle eine geeignete Oberflächenrauheit von 0,4 μm bis 4 μm. Zudem wird die wenige Nanometer dicke Oxidschicht verdampft, da ihre harte Beschaffenheit die Übertragung der mechanischen Dehnung auf den DMS beeinträchtigt. Nach der automatisierten DMS-Applikation per Vakuumpipette muss das auf die Klebestelle aufgetragene Epoxidharz einige Minuten ausdampfen, um die Bildung von Luftblasen beim thermischen Aushärten des Klebstoffs zu verhindern. Das an die Aushärtung im Ofen anschließende Tempern oder Nachhärten entfernt prozessbedingte mechanische Restspannungen und sichert die Langlebigkeit der Klebestelle. Die Verdrahtung der Dehnungsmessstreifen erfolgt durch automatisiertes Dickdrahtbonding. Um die Baugruppe vor dem Eindringen von Feuchtigkeit zu schützen, wird sie abschließend mit Speziallack lackiert oder vergossen.

Welche Rolle spielen Umweltfaktoren bei der Messung?

In umfangreichen Testreihen wird die Krafteinwirkung und Auswertung in Relation zu Umweltfaktoren wie Feuchte und Temperatur sowie dem optimalen Applikationsort am Messobjekt geprüft, um eine homogene Kraftmessung zu sicherzustellen. Da die mechanischen Einflüsse auf die Dehnungsstreifen einen geringen Offset hinterlassen, der nicht vollständig eliminiert werden kann, muss der Offset per Messung ermittelt werden, um im Anschluss beispielsweise die Nullstellung von Joysticks kalibrieren zu können. Ähnliches gilt für Temperaturabhängigkeit der Messung, die sich durch die Verwendung eines Vollbrücken-DMS-Sensors reduzieren oder mithilfe eines zusätzlichen Temperatursensors und einer temperaturabhängigen Kalibrierung herausrechnen lässt.

Wo kommt kraftbasierte Sensorik konkret zum Einsatz?

Wegen der hohen Messpräzision, Wiederholgenauigkeit und vielseitigen Eignung auch unter rauen Bedingungen stellt die Kraftmessung per DMS eine gefragte Option für die Steuerungstechnik elektrischer Antriebssysteme dar. In vielen Fällen bieten kraftgeregelte Anwendungen eine intuitive, motorisch und ergonomisch vorteilhafte Alternative zu wegbasiert gesteuerten Systemen. Um der wachsenden Nachfrage zu entsprechen, hat RAFI seine Kapazitäten zur DMS-Applikation automatisiert und auf Industriemaßstab hochgefahren. Aktuell entwickelt der Spezialist für die Mensch-Maschine-Interaktion Bedienlösungen, die von kraftbasierten Joysticks über die Antriebsmessung für medizintechnische Assistenzsysteme bis zur Regelung der elektrischen Antriebswelle von E-Bikes reichen. (bs)

Dieser Beitrag basiert auf Unterlgen von RAFI.