DMS – Dehnungsmessstreifen

Stellst du dich auf eine digitale Personenwaage, verbiegen sich vier Metallbalken in den Füßen um Bruchteile eines Millimeters. Auf jedem klebt ein hauchdünnes Folienstück mit einem Muster aus Leiterbahnen, und dessen Widerstand ändert sich dabei um weniger als ein Promille. Daraus macht die Elektronik dein Gewicht auf 100 g genau. Dieses Folienstück ist ein Dehnungsmessstreifen, kurz DMS. Er steckt in Küchen- und Paketwaagen, in Kranwaagen und Drehmomentschlüsseln, in Kraftsensoren von Robotern und in Brücken, deren Belastung überwacht wird.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Folien-DMS besteht aus einer wenige Mikrometer dünnen Metallfolie, meist Konstantan (eine Kupfer-Nickel-Legierung), die zu einem Messgitter geätzt ist: eine Leiterbahn, die viele Male hin und her läuft. Sie sitzt auf einer Trägerfolie aus Polyimid oder Epoxid und hat an einem Ende zwei Lötflächen. Der DMS wird mit einem Spezialklebstoff vollflächig auf das Bauteil geklebt, dessen Verformung du messen willst – dann macht er jede Dehnung der Oberfläche mit.

Wird der DMS in Längsrichtung gedehnt, werden die Leiterbahnen länger und dünner. Beides erhöht den Widerstand, wie die Formel R = ρ · l / A aus Spezifischer Widerstand zeigt. Wird er gestaucht, sinkt der Widerstand. Quer zur Messrichtung ist er dank der Gitterform nahezu unempfindlich.

Die relative Längenänderung heißt Dehnung ε = Δl / l. Weil sie winzig ist, gibt man sie in µm/m an (früher „µD“ oder „Mikrostrain“). Den Zusammenhang mit dem Widerstand beschreibt der k-Faktor:

Für Konstantan ist k ≈ 2. Halbleiter-DMS aus Silizium erreichen k von über 100, sind aber stark temperaturabhängig – mehr dazu beim piezoresistiven Sensor.

Schaltzeichen

Ein eigenes genormtes Schaltzeichen gibt es nicht. Üblich ist ein Widerstandsrechteck mit schrägem Pfeil oder Strich und der Beschriftung „DMS“ oder „ε“. Bei Wägezellen zeichnest du meist nur ein Rechteck mit den vier Anschlüssen der eingebauten Brücke: Speisung + und −, Signal + und −.

Kennwerte

Die Temperaturanpassung ist wichtig: Erwärmt sich ein Balken, dehnt er sich aus, ohne dass eine Kraft wirkt. Der DMS würde das als Dehnung messen. Hersteller legieren die Folie deshalb so, dass ihr Temperaturgang die Wärmeausdehnung eines bestimmten Werkstoffs ausgleicht. Ein Stahl-DMS auf Aluminium misst bei Erwärmung Unsinn.

Bei fertigen Wägezellen steht im Datenblatt der Kennwert in mV/V: die Ausgangsspannung bei Nennlast je Volt Speisespannung. Üblich sind 1 bis 3 mV/V, sehr oft 2 mV/V. Dazu kommen Nennlast, Kriechen (wie stark der Wert unter Dauerlast wandert) und Nullpunktdrift.

Die Messbrücke

Der DMS sitzt in einer Brückenschaltung nach Wheatstone: vier Widerstände, die zwei Spannungsteiler bilden. Gemessen wird die Differenz zwischen den beiden Mittelpunkten. Ist die Brücke abgeglichen, liegt dort 0 V – und schon eine winzige Widerstandsänderung erzeugt eine Spannung, ohne dass ein großer Grundwert mitgemessen wird.

Je nach Zahl der aktiven DMS gilt für kleine Dehnungen näherungsweise:

Die Vollbrücke liefert das vierfache Signal der Viertelbrücke und hat einen zweiten Vorteil: Temperatur wirkt auf alle vier DMS gleich und hebt sich am Ausgang weitgehend auf. Deshalb sind Wägezellen fast immer Vollbrücken.

Die Brücke besteht aus zwei Spannungsteilern; das Verhalten eines Zweigs kannst du hier ausprobieren:

Statt des HX711 kannst du auch einen Instrumentenverstärker mit einem guten AD-Wandler nehmen. Wichtig sind dann ein sehr kleiner Offset und eine kleine Offsetdrift, denn jedes Mikrovolt Fehler ist hier schon ein Gramm.

Bauformen

• Einzel-DMS mit einem Messgitter, für eine Messrichtung.
• DMS-Ketten und Rosetten: zwei oder drei Gitter in verschiedenen Winkeln auf einer Folie, um Dehnungen in mehreren Richtungen zu messen.
• Wägezellen: fertig beklebte Aluminium- oder Stahlkörper als Biegebalken (Küchenwaage), S-Form (Zugkraft), Scheibe oder Kraftmessdose, mit vierpoligem Kabel. Die Farben sind nicht einheitlich – oft Rot und Schwarz für die Speisung, Grün und Weiß für das Signal, aber im Datenblatt nachsehen.
• Halbleiter-DMS als kleine Siliziumstreifen für sehr hohe Empfindlichkeit.

Auswahl und Praxistipps

Für eigene Waagen und Kraftsensoren nimmst du fast immer eine fertige Wägezelle: Das Kleben eines DMS ist Handwerk mit Reinigung, Spezialkleber, Aushärtung und Schutzlack. Wähle die Nennlast mit Reserve – eine Zelle verkraftet meist 150 % Überlast ohne Schaden, aber nicht mehr.

Häufige Fehler:

• Zu hohe Speisespannung: Mehr Spannung bedeutet mehr Signal, aber auch Eigenerwärmung und Drift. In einer 350-Ω-Vollbrücke an 10 V setzt jeder DMS etwa 70 mW um, die ganze Brücke fast 0,3 W.
• Speisung und Signal verwechselt: Dann misst du statt Millivolt nur Unsinn. Miss im Zweifel mit dem Ohmmeter: Zwischen Speise- und zwischen Signaladern liegt jeweils der Brückenwiderstand, quer dazu weniger.
• Lange, ungeschirmte Leitungen: Mikrovolt-Signale fangen Netzbrummen ein. Verdrillte, geschirmte Leitungen, kurze Wege und digitale Filterung (der HX711 mit 10 Messungen je Sekunde unterdrückt 50 Hz gut) helfen.
• Kriechen vergessen: Unter Dauerlast wandert der Messwert langsam. Für Füllstandsüberwachung über Tage brauchst du eine Zelle mit kleinem Kriechwert.
• Mechanik falsch: Kraft, die schräg oder an der falschen Stelle einleitet, verfälscht das Ergebnis. Halte dich an die Einbauskizze des Herstellers.

Selbsttest