Doch wie funktioniert ein Dehnungsmessstreifen? Um das Funktionsprinzip zu verstehen, muss zunächst klargestellt werden, dass ein Dehnungsmessstreifen im Grunde nichts anderes als ein einfacher Widerstand ist. Wie jeder andere Widerstand auch ist ein DMS in seinem Widerstandswert durch Länge und Breite der Leiterbahn definiert. Dabei gilt:
- je länger die Leiterbahn, desto höher der Widerstandswert
- je dünner die Leiterbahn, desto höher der Widerstandswert
Belastet man den DMS mechanisch durch Zug, Druck, Biegung oder Torsion, dann verändert sich dessen elektrischer Widerstandswert. Dies wird in folgendem Bild deutlich.
Bei Dehnung verlängert sich der Leiter, während seine Querschnittsfläche kleiner wird. Dies führt zur Vergrößerung des Widerstandswertes des DMS. In einem weiten Dehnbereich ist der Widerstandwert proportional zur Längsdehnung des Leiters. Die Querschnittsdehnung wirkt sich in diesem Bereich nicht aus.
Bild: Eine Zugbelastung führt zur Dehnung und damit zu einer Vergrößerung des elektrischen Widerstandes.
Eine weitere Ursache für die Änderung des Widerstandswertes bei Verformung ist die Wirkung des piezoresistiven Effekts: Eine Verformung führt zur Veränderung der Beweglichkeit der freien Ladungsträger. Im Falle von Dehnung des Leiters kommt es zur Verringerung der freien Beweglichkeit, welche einen erhöhten Widerstandswert bewirkt. Bei Stauchung ist es genau umgekehrt. Der piezoresistive Effekt macht sich vor allem bei Dehnungsmessstreifen bemerkbar, bei denen die Leiterbahn aus Halbleitermaterial besteht.
Durch kraftschlüssige Verbindung des DMS mit einem Messkörper wird die auf dem Messkörper einwirkende Kraft ermittelt
Nachdem festgestellt wurde, dass sich der elektrische Widerstand des DMS bei Dehnung ändert, stellt sich die Frage, wie sich diese Tatsache zur Kraftmessung nutzen lässt. Die Antwort ist folgende: Der Widerstand bzw. der DMS werden kraftschlüssig mit einem Messkörper verbunden. Wirkt eine Kraft auf dem Messkörper, führt dies zur Dehnung des Messkörpers, welche durch den Kraftschluss auch eine Dehnung und somit eine Widerstandsänderung im DMS bewirkt. Die Widerstandsänderung wird dann gemessen und ist ein Maß für die auf dem Messkörper wirkende Kraft. Dies gilt allerdings nur für Kräfte, die Dehnungen im Proportionalbereich (Hookesche Gerade) der Spannungs-Dehnungs-Kurve bewirken. Nur in diesem Bereich herrscht Proportionalität zwischen Dehnung und mechanischer Spannung. Die Spannungs-Dehnungs-Kurve ist für jeden Messkörper verschieden. Bei geringen Kräften kann jedoch angenommen werden, dass man sich im Hookschen Bereich der Kurve befindet und die von Kräften hervorgerufenen Spannungen proportionale Dehnungen hervorrufen.