Die Dehnung wird in der Regel mit einem Dehnungsmessstreifen (Strain Gage) gemessen, der auf das betreffende Objekt geklebt wird. Wenn sich das Objekt unter Last verformt, dehnt oder staucht sich der Dehnungsmessstreifen, was eine kleine Änderung seines elektrischen Widerstands verursacht. Indem Sie den Dehnungsmessstreifen in eine Wheatstone-Brückenschaltung einbinden und eine stabile Erregerspannung bereitstellen, können Sie die winzige Spannungsabweichung messen, die der Dehnung entspricht. In der Praxis wird der Brückenausgang (in Millivolt) verstärkt und mit dem bekannten Dehnungsfaktor des Messgeräts in Dehnung (ε) umgewandelt. Mit dieser Methode können extrem kleine Verformungen quantifiziert werden (z.B. verursachen 500 µε nur ~0,1% Veränderung in einem 120 Ω Messgerät). Es gibt noch andere Methoden, wie die optische digitale Bildkorrelation oder faseroptische Dehnungsmessstreifen, aber der geklebte elektrische Dehnungsmessstreifen ist die gängigste Methode zur direkten Messung der Materialdehnung.

Um die Dehnung mit einem Dehnungsmessstreifen zu messen, müssen Sie den Messstreifen mit dem Testobjekt verkleben und an ein Messgerät anschließen (in der Regel über eine Wheatstone-Brücke). Bei einer Viertelbrücke bildet der Dehnungsmessstreifen einen Arm der Brücke, während sich in den anderen Armen feste Widerstände befinden. Wenn das Objekt eine Dehnung erfährt, ändert sich der Widerstand des Messgeräts und erzeugt eine kleine Differenzspannung in der Brücke. Ein Dehnungsmessstreifen-Verstärker oder ein DAQ-System verstärkt dann diese Ausgabe. Der Verstärker wird mit den Spezifikationen des Messgeräts konfiguriert (Dehnungsfaktor, Brückentyp, Erregerspannung usw.), so dass er das gemessene Millivolt-pro-Volt-Signal in Dehnungseinheiten umwandeln kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie das Messgerät ordnungsgemäß installieren, mit einer Brücke verdrahten, eine Erregung bereitstellen und die Spannungsänderung, die proportional zur Dehnung ist, mit einem Messgerät ablesen.

Das Ablesen des Ausgangssignals eines Dehnungsmessers erfordert die Umwandlung des elektrischen Rohsignals in eine mechanische Dehnung. Messen Sie zunächst die Ausgangsspannung des Messgeräts (oft in mV) über die Wheatstone-Brücke im Leerlauf (für Null-Offset) und unter angelegter Last. Die Brückengleichung und der Dehnungsfaktor geben die Beziehung zwischen der Spannung und der Dehnung an. Zur praktischen Kalibrierung kann eine bekannte Dehnung angelegt werden (oder ein Shunt-Kalibrierungswiderstand verwendet werden), um eine Referenzspannungsänderung zu erzeugen. Moderne DAQ-Software vereinfacht dies: Sie geben den Dehnungsfaktor und den Brückentyp ein, und das System skaliert den mV/V-Wert automatisch in Dehnung (Mikrodehnung). Wenn zum Beispiel eine Viertelbrücke mit dem Messfaktor 2,0 unter Last 1 mV/V ausgibt, berechnet die Software die Dehnung als ε ≈ 500 µε (da 1 mV/V in diesem Fall einer Dehnung von 0,0005 entspricht). Im Wesentlichen messen Sie den Brückenausgang und wenden den Kalibrierungsfaktor des Messgeräts an, um die Dehnung zu erhalten.

Ein Strain Gage ist ein Sensor, der mechanische Verformungen in eine Änderung des elektrischen Widerstands umwandelt. Er besteht in der Regel aus einem dünnen Metallfolienmuster, das in einem Gitter angeordnet und auf eine flexible Unterlage geklebt ist. Wenn er auf eine Struktur geklebt wird, verformt sich der Dehnungsmessstreifen zusammen mit dem Material. Wenn Sie den Dehnungsmessstreifen dehnen, werden seine Leiter länger und dünner, wodurch sich der Widerstand erhöht; eine Kompression bewirkt das Gegenteil. Durch Messung dieser Widerstandsänderung (in der Regel mit einer Wheatstone-Brücke und Instrumenten) kann man die Dehnung des Materials bestimmen. Strain Gages wurden 1938 erfunden und werden aufgrund ihrer Genauigkeit und Einfachheit häufig für die experimentelle Spannungsanalyse und den Bau von Sensoren verwendet.

Dehnung ist eine dimensionslose Größe, denn sie ist definiert als das Verhältnis der Längenänderung zur ursprünglichen Länge (ΔL/L). Daher hat sie keine Einheiten. In der Praxis wird die Dehnung oft in einer kleinen Einheit wie der Mikrodehnung (µε) ausgedrückt, die 1×10^(-6) (d.h. ein Teil pro Million) der Dehnung entspricht. Zum Beispiel bedeutet eine Dehnung von 500 µε eine Längenänderung von 0,000500 (0,05%). Manchmal wird die Dehnung auch als “in/in” oder “mm/mm” angegeben, um zu verdeutlichen, dass es sich um ein Verhältnis handelt, aber das ist technisch gesehen eine Einheit. Die Verwendung der Mikrodehnung macht die Zahlen bequemer, da typische strukturelle Dehnungen in der Größenordnung von zehn bis tausend µε liegen.

• Bei der Auswahl der richtigen Dehnungsmessstreifen müssen Sie einige Überlegungen zu Ihrer Anwendung anstellen:
  • Muster und Geometrie des Messgeräts: Wählen Sie eine Dehnungsmessstreifen-Konfiguration, die dem Dehnungsfeld entspricht. Verwenden Sie z.B. lineare Dehnungsmessstreifen, um einachsige Dehnungen zu messen, oder eine Rosette (mit 2 oder 3 Dehnungsmessstreifen in bekannten Ausrichtungen), um Dehnungen in mehreren Richtungen zu messen.
  • Länge des Gitters: Die Länge des dehnungsempfindlichen Gitters sollte der Größe der Dehnungsregion entsprechen. Ein kürzerer Messstreifen (z.B. 3 mm) misst die Dehnung an einem eher lokalen Punkt, während ein längerer Messstreifen (z.B. 10 mm) die Dehnung über einen größeren Bereich mittelt – nützlich, wenn das Dehnungsfeld nicht gleichmäßig ist.
  • Widerstandswert: Übliche Dehnungsmessstreifen aus Folie gibt es in 120 Ω oder 350 Ω. Ein 120 Ω Dehnungsmessstreifen zieht mehr Strom (mehr Selbsterhitzung), ist aber oft robuster und kostengünstiger; ein 350 Ω Dehnungsmessstreifen liefert ein größeres Ausgangssignal und ist besser für die Verwendung mit langen Zuleitungen geeignet (weniger Signalverlust). Für hochpräzise oder batteriebetriebene Geräte wird ein höherer Widerstand bevorzugt, um die Erwärmung und den Stromverbrauch zu minimieren.
  • Temperaturkompensation: Wählen Sie eine Dehnungsmessstreifen-Legierung und eine Unterlage, die der Wärmeausdehnung Ihrer Probe entspricht. Strain Gages sind mit Codes zur Temperaturkompensation erhältlich (z.B. für Stahl, Aluminium usw.), damit die thermische Ausdehnung der Probe nicht zu falschen Dehnungsmesswerten führt. Vergewissern Sie sich, dass die angegebene Kompensation des Messgeräts (oft durch einen Code wie “Anpassungskoeffizient 13 für Stahl” angegeben) zu Ihrem Material passt.
  • Umgebung und Verklebung: Berücksichtigen Sie den Betriebstemperaturbereich und die Umgebungsbedingungen. Einige Messgeräte haben spezielle Trägermaterialien für hohe Temperaturen oder sind für den Außeneinsatz wasserdicht. Wählen Sie auch einen geeigneten Klebstoff und eine Schutzbeschichtung, falls erforderlich.
  • Anschlüsse und Installation: Messgeräte werden mit verschiedenen Anschlussmöglichkeiten angeboten (Lötpunkte, vormontierte Anschlüsse usw.). Wenn Ihre Anwendung Vibrationen oder wiederholten Belastungen ausgesetzt ist, sind Messgeräte mit flexiblen Leitungen oder Lötfahnen, die die Drahtverbindungen entlasten, von Vorteil.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie das Muster, die Länge, den Widerstand und die Materialeigenschaften des Messgeräts auf die Mechanik und die Umgebung Ihres Tests abstimmen sollten. Zum Beispiel könnte ein 350 Ω lineares Messgerät mittlerer Länge mit Selbstkompensation für Stahl und einer 3-Draht-Leitung für die Messung der Biegedehnung an einem Stahlträger gewählt werden. Konsultieren Sie immer den Auswahlleitfaden des Herstellers – zu den wichtigsten Kriterien gehören in der Regel Geometrie, Gittermaterial, Unterlage, Länge, Widerstand und Temperaturverhalten.