Dehnungsmessstreifen-Design unter exzentrischer Belastung WRSGC-Präsentation
Von Ashlesa Mohapatra, Produktdesignerin, Interface
Auf dem globalen Markt ist Interface dafür bekannt, die zuverlässigsten und genauesten Produkte für die Kraftmessung zu liefern. Einer der Hauptgründe, warum Interface diese Anerkennung immer wieder erhält, ist die Herstellung unserer eigenen Dehnungsmessstreifen. Die bei Interface entwickelten und hergestellten Produkte verwenden unsere firmeneigenen Dehnungsmessstreifen, die jeweils für das spezifische Aufnehmermodell auf der Grundlage des Anwendungstyps und der Einsatzumgebung entwickelt wurden.
Als Beispiel für unser Engagement für Qualität und hervorragende Leistung bei Dehnungsmessstreifen (DMS) habe ich kürzlich eine technische Präsentation über die negativen Auswirkungen exzentrischer Belastung und die Möglichkeiten der DMS-Konstruktion zur Verringerung dieser Probleme gehalten.
Im Folgenden finden Sie eine kurze Zusammenfassung dieses Vortrags, der den Teilnehmern der Sitzung des Western Regional Strain Gage Committee im Oktober 2022 in Tempe, Arizona, gehalten wurde. Die Zusammenfassung erklärt, warum die Konstruktion von Dehnungsmessstreifen den Unterschied zwischen Qualität und schlechter Leistung von Wägezellen ausmachen kann.
Interface hat die Dehnungsmessstreifen einer unserer Mini-Wägezellen, der LBSU Miniatur-Wägezelle Load Button, auch bekannt als unsere ConvexBT – die innovativste Load Button-Wägezelle – neu gestaltet. Unser Ziel bei der Neugestaltung war es, eine kontrolliertere und wiederholbare Belastung zu erreichen, was wiederum zu einem besser vorhersagbaren Ergebnis führt. Unsere Forschung konzentrierte sich auf Dehnungsmessstreifen-Designs für Wägezellen, bei denen ein mechanischer Momentausgleich nicht möglich ist.
Die größte Herausforderung bei dieser Initiative bestand darin, die mit der exzentrischen Belastung verbundenen Fehler zu überwinden, indem der Installationsprozess durch eine Neukonzeption reibungsloser gestaltet wurde. Dies ist schwierig, weil Dehnungsmessstreifen sehr klein und daher schwieriger zu verarbeiten sind. Außerdem reagieren sie extrem empfindlich auf die Umgebung, da Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Sauberkeit und elektrische Störungen die Leistung beeinträchtigen können.
Bevor ich auf die Neukonstruktion eingehe, möchte ich auf die exzentrische Belastung und die dadurch verursachten Fehler sowie auf die verschiedenen Faktoren bei der DMS-Herstellung eingehen, die zu Fehlern führen können, die eine exzentrische Belastung verursachen. Es gibt zwei Arten von Exzentrizität: Belastung und Montage. Eine exzentrische Belastung ergibt sich aus einer unsachgemäßen Beladung oder Montage des Dehnungsmessstreifens, die zu außermittigen Belastungen und Biegungen führt. Dies verursacht mehrere Probleme, darunter verzerrte Messergebnisse, eine geringere Genauigkeit der Wägezelle und eine verkürzte Lebensdauer der Wägezelle.
Wenn ein Dehnungsmessstreifen (DMS) falsch auf der Wägezelle montiert ist oder die DMS schlecht verklebt sind, stellt dies fast immer eine Fehlerquelle dar und trägt zu Montagefehlern bei. Wenn Dehnungsmessstreifen nicht bei angemessener Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die Wägezelle geklebt werden, führt dies zu Blasen unter dem DMS. Die chemische Zusammensetzung des Dehnungsmessstreifens ist von entscheidender Bedeutung, z. B. der Klebstoff zwischen der Folie und dem Trägermaterial, je nach der Anwendung, in der die Wägezelle in einem Labor, einer Maschine oder einem Prüfprogramm eingesetzt wird.
Unter Berücksichtigung dieser Faktoren haben wir ein Projekt zur kontinuierlichen Verbesserung des Designs in Angriff genommen. Das frühere Design der Dehnungsmessstreifen dieses Produkts hatte eine rechteckige Form. Wenn die Wägezelle also belastet wurde, ob exzentrisch oder nicht, konnte das Dehnungsfeld aufgrund der Form nicht hindurchgehen. Daher begannen wir, andere Formen für unsere Dehnungsmessstreifen zu untersuchen, und landeten schließlich bei einem kreisförmigen „Membran“-Dehnungsmessstreifen, der die Dehnungsfelder durchlässt.
Eines der Merkmale dieses neu konzipierten Dehnungsmessstreifens ist die von uns entwickelte Klebefolie, mit der die Folie auf die Unterlage geklebt wird. Dieser Klebstoff bietet eine Vielzahl von Vorteilen, darunter einen niedrigeren Elastizitätsmodul, der das Versagen des Klebstoffs verhindert, und die Elastizität ermöglicht auch einen besseren Fluss.
Ein weiteres Merkmal ist das von uns verwendete Vollbrückenmuster, das drei wesentliche Vorteile bietet. Dazu gehören weniger Lötstellen und ein geringeres Risiko für elektrische Kurzschlüsse aufgrund einer vereinfachten Verdrahtung, weniger Symmetriefehler und eine gleichbleibende thermische Leistung.
Eine Prozessverbesserung, auf die wir hinweisen wollten, war, dass wir bei unserem Kalibrierungsprozess nur 5 V Erregerspannung verwendet haben. Die meisten Hersteller verwenden 10 V zur Kalibrierung ihrer Wägezellen. Aufgrund des Mangels an thermischer Masse in der dünnen Membran unseres Dehnungsmessstreifens verschiebt sich der Nullpunkt aufgrund der hohen Spannung und der schlechten Wärmeableitung bei 10 V. Um eine Überhitzung der Zelle zu vermeiden, verwenden wir zur Kalibrierung dieser Miniatur-Kraftmessdosen eine Erregerspannung von 5 V anstelle dieser Alternative.
Um das Design weiter zu verbessern, haben wir den Prüfprozess verbessert. Unsere Membranmessgeräte werden mit visuellen und elektrischen Tests auf ihre korrekte Montage geprüft. Die visuelle Prüfung umfasst die Kontrolle auf Luftblasen unter dem Messgerät, schlecht verklebte Kanten, unzuverlässige Lötverbindungen und Flussmittelrückstände. Bei den elektrischen Prüfungen werden unter anderem der elektrische Durchgang und der Isolationswiderstand überprüft.
Dann haben wir uns der Leiterplatte zugewandt. Einige Hersteller verwenden aufgrund des begrenzten Platzes in der Zelle eine Leiterplatte im Kabel, um den Nullpunktabgleich zu verbessern und die Temperatur besser auszugleichen. Das Biegen oder Bewegen dieses Kabels würde jedoch Druck auf die Platine ausüben und den Nullpunkt verschieben. Daher haben wir uns dafür entschieden, anstelle des Kabels einen abschleifbaren Kompensationswiderstand im Inneren der Biegung zu installieren. Dadurch bleibt der Kompensationswiderstand in der Nähe der DMS und ist eng mit dem Sensorkörper verbunden, um die Reaktionszeit der Zelle auf die Temperatur zu verbessern.
Um zu prüfen und zu bestätigen, dass unsere Konstruktion überlegen ist, haben wir drei verschiedene Dehnungsmessstreifen getestet: die rechteckigen DMS (diskrete DMS), die flächigen DMS und unseren Membran-DMS. Jeder der DMS-Typen wurde auf drei verschiedenen Kraftmessdosen platziert und mit einem Grad Zentrizität belastet. Dieser Test wurde achtmal in 45-Grad-Schritten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Membranlehre bei exzentrischer Belastung reproduzierbarere Ergebnisse liefert als die anderen Lehren.
Dies war ein interessantes Unterfangen, bei dem das Projektteam viel über die Konstruktion von Dehnungsmessstreifen und exzentrische Belastung lernte. Was ich aus dieser Erfahrung mitgenommen habe, abgesehen von einem überlegenen Design für unsere ConvexBT-Lastknopf-Wägezellen, ist, dass jedes kommerziell erfolgreiche Produkt einen starken Prozess hinter sich hat. Außerdem muss man einen klar definierten Prozess haben, der einen Plan zur kontinuierlichen Verbesserung beinhaltet. Interface Minis sind eine beliebte Produktlinie, die es schon seit vielen Jahren gibt. Sobald ein Produkt wie dieses einen Punkt der Stagnation erreicht, wird es seinen Halt auf dem Markt verlieren. Ich bin stolz darauf, dass es unserem Team gelungen ist, eine Stagnation zu vermeiden, indem es entscheidende Schritte zur Verbesserung der Mini-Produktlinie unternommen hat und so unseren Ruf als Anbieter von qualitativ hochwertigen, genauen und zuverlässigen Produkten unabhängig von der verfügbaren Kapazität für die Präzisionskraftmessung aufrechterhalten hat.
Das Western Regional Strain Gage Committee (WRSGC), eine technische Abteilung der nationalen Society for Experimental Mechanics (SEM), wurde gegründet, um den freien Austausch von Informationen über Dehnungsmessverfahren mit Dehnungsmessstreifen zu fördern.
Interface ist ein stolzes Mitglied und Sponsor der WRSGC. Unsere Ingenieure nehmen an den technischen Konferenzen teil, sowohl durch Präsentationen als auch durch Anwesenheit. Ashlesa Mohapatra, Produktdesign-Ingenieurin bei Interface, präsentierte auf der Veranstaltung, die vom 17. bis 19. Oktober 2022 in Arizona stattfand.