Dehnungsmessstreifen, auch bekannt als Strain Gauges, sind unverzichtbare Sensoren in Ingenieur- und Messanwendungen, um Verformungen von Materialien zu erfassen. Mit der rasanten Entwicklung der Elektronik- und Leiterplattentechnologie hat sich ein neuer Trend etabliert: Dehnungsmessstreifen direkt aus Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) herzustellen. Diese Innovation eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der Messtechnik, indem sie die Bauelemente der Elektronik mit den sensorischen Eigenschaften der Dehnungsmessung vereint. Ein Dehnungsmessstreifen aus PCB besteht aus speziell entworfenen Kupferbahnen auf einem flexiblen oder starren Trägermaterial, die bei Verformung des Substrats ihren elektrischen Widerstand verändern. Dieses Phänomen wird genutzt, um minimale physikalische Veränderungen in ein messbares elektrisches Signal umzuwandeln.
Die Präzision eines solchen Sensors ist beeindruckend: Bereits Verformungen im Mikrometerbereich lassen sich detektieren, und durch das hochwertige Design wird das Signalrauschen minimal gehalten. Das volle Auslenkungsspektrum beträgt etwa +/- 3 cm, was für viele Anwendungen, von der Materialprüfung bis zur Feinmechanik, mehr als ausreichend ist. Die Herstellung eines PCB-Dehnungsmessstreifens bietet im Vergleich zu traditionellen Sensoren zahlreiche Vorteile. Die Fertigung ist industriell skalierbar, kostengünstig und erlaubt einen hohen Grad an Customizing. So können die Abmessungen, die Anzahl der Elemente und deren Anordnung einfach an unterschiedliche Anwendungsfälle angepasst werden.
Beispielsweise kann eine vier-elementige Wheatstone-Brücke auf der Leiterplatte integriert werden, um Temperaturdrift zu minimieren und die Messgenauigkeit weiter zu steigern. Ein weiterer Vorteil liegt in der Bauweise: Dünne Leiterplatten mit einer Stärke von etwa 0,6 mm garantieren eine hohe Empfindlichkeit. Allerdings kann die Dicke je nach Einsatzgebiet variiert werden – dünnere Boards erzeugen geringere Ausgangsspannungen, was bei besonders feinen Messungen von Vorteil sein kann. Die Herstellung erfolgt meist mittels moderner PCB-Frässysteme und kann auch händisch zusammengebaut werden, was kleinen Unternehmen oder Forschungsgruppen entgegenkommt, die keine komplexen Lötanlagen besitzen. Die Integration von Mikrocontrollern wie dem Seeed Studio XIAO RP2040 direkt auf der Leiterplatte ermöglicht eine kompakte und autonome Messeinheit.
Das macht das System besonders flexibel und auf die Anforderungen verschiedenster Projekte anpassbar. Neben dem eigentlichen Dehnungssensor umfasst das PCB oft auch Verstärkerschaltungen und Spannungsreferenzsysteme, was die Auslese der Signale erleichtert und die Zuverlässigkeit erhöht. Die Firmware spielt dabei eine wichtige Rolle für die Kalibrierung und Ausgabe der Messergebnisse. Beispielsweise startet ein typisches Programm mit einer Offset-Kalibrierung, gefolgt von einer kontinuierlichen Abtastung der Messwerte bei niedriger Verstärkung, um eine stabile und verlässliche Datenaufnahme zu gewährleisten. Für Anwender ist es wichtig, das System vor der Messung auf Betriebstemperatur zu bringen, da dadurch thermische Effekte reduziert und die Genauigkeit verbessert werden.
Ein nützliches Tool zur Visualisierung der Messdaten kann über einfache Skripte bereitgestellt werden, die die Auswertung und Darstellung in Echtzeit unterstützen. Die Designflexibilität ist bei PCB-Dehnungsmessstreifen besonders hervorzuheben. Nutzer können mittels spezieller Software-Tools die Form und Größe der Messstruktur individuell anpassen. Dazu werden Vektorgrafiken als .svg-Dateien erstellt und anschließend in Leiterplattendesigns umgewandelt, was eine nahtlose Integration in bestehende Entwicklungsprozesse ermöglicht.
Die Möglichkeit, verschiedene geometrische Formen und Kurven zu modellieren, eröffnet interessante Perspektiven für die Anwendung in komplexen mechanischen Systemen, bei denen herkömmliche Dehnungsmessstreifen nur begrenzten Platz finden. Ein Beispiel hierfür sind gebogene Oberflächen oder schlanke Bauteile in der Medizintechnik oder Luftfahrt, die besonders empfindliche und passgenaue Sensorlösungen erfordern. Auch die thermische Stabilität spielt eine bedeutende Rolle. Neben der konstruktiven Gestaltung sorgen mehrelementige Brückenschaltungen für eine Reduzierung von Temperaturschwankungen, die ansonsten die Messergebnisse verfälschen könnten. Durch geschickte Auswahl der Leiterplattenmaterialien und optimierte Layouts kann der Drift auf ein Minimum gesenkt werden, was auch Langzeitmessungen erlaubt.
Die fertigen PCB-Dehnungsmessstreifen sind nicht nur praktisch im Einsatz, sondern auch umweltschonend. Im Vergleich zu klassischen Sensoren benötigen sie weniger Montageaufwand und kommen mit weniger Zusatzmaterialien aus, was die ökologische Bilanz verbessert. Die einfache Konfiguration und das Vermeiden von aufwendigen Lötprozessen reduzieren zudem Produktionskosten und -zeiten. Die Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung in Industriezweigen wie Automobilbau, Maschinenbau, Robotik und Hightech-Fertigung, wo präzise Überwachung mechanischer Belastungen essenziell ist. Durch ihre Vielseitigkeit lassen sich die PCB-Strain-Gauge-Systeme ferner in Bildungseinrichtungen verwenden, um den Studierenden moderne Messtechnik praxisnah zu vermitteln.
Abschließend lässt sich festhalten, dass die Entwicklung von Dehnungsmessstreifen auf Basis von Leiterplatten eine spannende Symbiose aus klassischen Elektronikfertigungsprozessen und innovativer Sensorik darstellt. Diese Kombination bringt Vorteile hinsichtlich Kosten, Anpassungsfähigkeit und Genauigkeit mit sich und bietet eine attraktive Alternative zu bislang etablierten Messmethoden. Für Entwickler, Forscher und Unternehmen eröffnet sich damit eine neue Dimension der Messung von mechanischen Verformungen, welche die Grenzen herkömmlicher Dehnungssensoren deutlich erweitert. Die Zukunft des Dehnungsmessens könnte somit maßgeblich von dieser Technologie geprägt werden, deren Potenzial gerade erst begonnen hat, ausgeschöpft zu werden.
