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Widerstände als Sensoren

Dehnungsmessstreifen melden Risse in Flugzeug-Tragflächen

23. Februar 2015, 13:07 Uhr   |  Von Yuval Hernik und Robert Watson

Dehnungsmessstreifen melden Risse in Flugzeug-Tragflächen
© Vishay Precision Group

Dehnungsmessstreifen als Sensoren

Präzisionswiderstände und Dehnungsmessstreifen dienen als Teil eines präventiven Überwachungssystems. Überlebenswichtig kann dies beispielsweise bei Tragflächen von großen Flugzeugen sein, die materialbedingt zu Rissen neigen und damit Unfallgefahren heraufbeschwören.

In jüngster Zeit ist viel über die „Wachstumsschmerzen“ (engl. growing pains) der neuesten Generation von Passagierflugzeugen zu hören. Zum einen wurden überhitzte Lithium-Ionen-Akkus entdeckt, worauf die Regulierungsbehörden die weltweite Flotte für mehrere Monate am Boden festhielten. Außerdem stellte man Risse in den Tragflächen fest. Diese beiden Vorfälle warfen die Frage auf, wie man diese Probleme hätte überwachen können – insbesondere die Risse in den Tragflächen. Aufgrund der normalen Metallermüdung ist es schwierig, diese Risse auszuschließen, aber eine Überwachung kann katastrophale Ausfälle verhindern und außerdem die Instandhaltungskosten verringern.

Die Rolle von Dehnungsmessstreifen (DMS)

Dehnungsmessstreifen sind Messfühler, die in vielen anderen Messwandlern wie Druck-, Kraft- und Drehmomentsensoren zum Einsatz kommen, so zum Beispiel in der Bauteileprüfung und -überwachung. DMS-Messwandler wandeln eine mechanische Eingangsgröße in eine elektrische Ausgangsgröße um. Sie werden dabei als Wheatstone-Brücke geschaltet und bilden einen robusten und stabilen Sensor, der auch in extremen Umgebungen eingesetzt werden kann. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden bei der Wheatstone-Brücke Fertigungstoleranzen sowie Temperatureinflüsse durch Selbsterwärmung und die Umgebung kompensiert. Zusätzliche hochpräzise Brückenabgleichwiderstände korrigieren die Brückenverstimmung und passen die Ausgangsempfindlichkeit (Bereichseinstellung) an. Weitere Abgleichwiderstände korrigieren Fehler, die aus dem großen Temperaturbereich resultieren.

Auch wenn Dehnungsmessstreifen weit verbreitet sind, ist es einfach, dafür zuverlässige Daten zu erhalten. Denn eine Reihe von Faktoren beeinflusst die Messgenauigkeit: die Signalaufbereitung, die Bauweise und Position der Wheatstone-Brücke (dem am häufigsten zur Widerstandsmessung verwendeten Brückentyp), Induktivität und Kapazität, die in der Schaltung verwendeten Präzisionswiderstände und die Erregerquelle. Präzisionswiderstände finden in normalen DMS-Schaltungen zwei grundlegende Verwendungen; zum einen als Brückenergänzung und zum anderen als Nebenschlusskalibrierung von DMS-Instrumenten.

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1. Dehnungsmessstreifen melden Risse in Flugzeug-Tragflächen
2. Einsatzfall: Brückenergänzung
3. Einsatzfall: Nebenschlusskalibrierung

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