CH684442A5 - Sensor for measuring transverse extensions in bores in structures - Google Patents
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- G01L5/0004—Force transducers adapted for mounting in a bore of the force receiving structure
Abstract
Description
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CH 684 442 A5 CH 684 442 A5
2 2nd
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Aufnehmer mit kathodisch aufgedampftem Wider-stands-Messgitter und integriertem Verstärker, welcher Dehnungen in Sackloch- und Durchgangsbohrungen in Strukturen in beliebiger Tiefe und radialer Richtung erfassen kann. The present invention describes a transducer with a cathodically vapor-deposited resistance measuring grating and an integrated amplifier, which can detect strains in blind holes and through holes in structures of any depth and radial direction.
Moderne Anlagen und Maschinen benötigen in zunehmendem Masse Aufnehmer. Dies deshalb, weil diese heute in praktisch allen Fällen mit Mikroprozessoren gesteuert und geregelt werden. Die Mikroprozessoren benötigen eine Vielzahl von Daten und Parametern, um die an sie gestellten Aufgaben zu bewältigen. Die mechanische Beanspruchung ist dabei ein wichtiger Parameter. Modern systems and machines increasingly require sensors. This is because these are controlled and regulated with microprocessors in practically all cases. The microprocessors require a large amount of data and parameters in order to be able to perform the tasks assigned to them. Mechanical stress is an important parameter.
Immer häufiger werden für Lastüberwachungs-Aufgaben indirekt messende Dehnungssensoren eingesetzt. Diese unterscheiden sich in Oberflächen* und Struktursensoren. Die ersteren sind auf der Oberfläche der zu messenden Struktur aufgebracht. Entsprechend anfällig sind sie auch auf Beschädigungen und Nullpunktverschiebungen wegen äusseren Einflüssen. Indirectly measuring strain sensors are increasingly being used for load monitoring tasks. These differ in surface * and structure sensors. The former are applied to the surface of the structure to be measured. Accordingly, they are also susceptible to damage and zero offsets due to external influences.
Diesbezüglich problemloser sind in Bohrungen eingespannte Struktursensoren, weiche die Dehnungen - diese entsprechen indirekt den Spannungen - in radialer oder achsialer Richtung messen. Radial messende Sensoren werden meistens mittels Konen in der Aufnahmebohrung verspannt. Sie alle weisen jedoch einen nach aussen offenen Konus auf, welcher verschmutzen kann und deshalb können Kriechphänomene auftreten. In this regard, structure sensors clamped in bores are more problem-free, which measure the expansions - these indirectly correspond to the stresses - in the radial or axial direction. Radially measuring sensors are usually clamped in the mounting hole using cones. However, they all have a cone that is open to the outside, which can become dirty and therefore creep phenomena can occur.
Es sind zwei Messprinzipien für Struktursensoren bekannt geworden: piezoelektrische mit Quarz- oder Keramikelementen und geklebte Dehnmessstreifen. Two measuring principles for structure sensors have become known: piezoelectric with quartz or ceramic elements and glued strain gauges.
Piezoelektrische Sensoren haben eine schnelle Ansprechzeit und bauen klein. Allerdings kann mit diesen Sensoren nicht über lange Zeit, also statisch, gemessen werden. Ausserdem kann nach erfolgtem Einbau die Verspannung des Sensors, ein wichtiger Parameter, nicht mehr erfasst werden. Selbst heutige Piezosensoren sind noch nicht massefrei, was zu Potentialdifferenzen zwischen Aufnehmer und Steuerung führten und die empfindlichen Mikroprozessoren in der Steuerung beschädigen kann. Piezoelectric sensors have a fast response time and are small. However, these sensors cannot be used for long-term, static measurements. In addition, the tension of the sensor, an important parameter, can no longer be recorded after installation. Even today's piezo sensors are not yet free of mass, which could lead to potential differences between the transducer and the controller and can damage the sensitive microprocessors in the controller.
Strukturaufnehmer mit geklebten Dehnmessstreifen weisen die Nachteile der Quarzsensoren nicht auf. Allerdings verhindert die recht duktile Kleberschicht schnelle Ansprechzeiten. Zudem kann der Dehnmessstreifen wegen der oftmals nötigen, grossen Verspannung relaxieren und den Nullpunkt verschieben. Ausserdem bauen Dehnmessstreifen sehr gross. Structure sensors with glued strain gauges do not have the disadvantages of quartz sensors. However, the quite ductile adhesive layer prevents quick response times. In addition, the strain gauge can relax due to the often necessary large tension and shift the zero point. In addition, strain gauges build very large.
Der erfindungsgemässe Aufnehmer mit dem auf eine amorphe Quarzschicht kathodisch aufgedampften Dünnschicht-Dehnmessstreifen-Messgitter weist demgegenüber keinen der obengenannten Nachteile auf. In contrast, the sensor according to the invention with the thin-film strain gauge measuring grid which is cathodically vapor-deposited on an amorphous quartz layer has none of the disadvantages mentioned above.
Die auf das Substrat aufgebrachte, amorphe Quarzschicht gewährleistet Potentialfreiheit und auch sehr hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit. Ausserdem verhindert diese Quarzschicht relaxieren der verspannten Messbrücke und ermöglicht schnelle Ansprechzeiten des Sensors. Die Dünnschicht-Dehnmessstreifen-Messgitter, welche erfin-dungsgemäss kathodisch aufgedampft sind, bauen sehr klein, was zu komptakten Aufnehmern führt. The amorphous quartz layer applied to the substrate ensures freedom from potential and also very high dielectric strength. This quartz layer also prevents the tensioned measuring bridge from relaxing and enables the sensor to respond quickly. The thin-film strain gauge measuring grids, which are cathodically vapor-deposited according to the invention, are very small, which leads to compact transducers.
Für in den Sensor integrierte elektrische Schaltungen, beispielsweise ein Instrumentenverstärker, können die benötigten Widerstände oder Lötpunkte für elektrische Bauelemente direkt mit dem Messgitter auf das Substrat gedampft werden. Dadurch entfallen Bauelemente und ein zusätzlicher Arbeitsgang. Die Betriebssicherheit der Schaltung wird dadurch erhöht, die Herstellkosten gesenkt. For electrical circuits integrated in the sensor, for example an instrument amplifier, the required resistors or soldering points for electrical components can be vaporized directly onto the substrate using the measuring grid. This eliminates components and an additional operation. This increases the operational reliability of the circuit and reduces the manufacturing costs.
Im folgenden wird der Aufnehmer anhand von Bildern beschrieben. Es zeigen: In the following, the sensor is described using pictures. Show it:
Fig. 1: Einen Schnitt durch einen erfindungsge-mässen, eingekapselten Aufnehmer mit integrierter elektrischer Schaltung. Fig. 1: A section through an encapsulated transducer according to the invention with integrated electrical circuit.
Fig. 2: Eine Ansicht eines erfindungsgemässen Aufnehmers mit nachträglich zu fertigenden, fest angebrachten Einbauhilfen. Fig. 2: A view of a transducer according to the invention with fixed installation aids to be manufactured later.
Fig. 3: Zeigt einen Schnitt durch eine Variante des erfindungsgemässen Aufnehmers. 3: shows a section through a variant of the transducer according to the invention.
Fig. 4: Stellt die Demontagevorrichtung für den Aufnehmer nach Fig. 3 dar. Fig. 4: represents the disassembly device for the transducer of Fig. 3.
Gemäss Fig. 1 wird das aussen konisch ausgebildete dehnungsempfindliche Element (1) mit dem kathodisch aufgedampften Dünnschicht-Dehnmess-streifen-Messgitter (2) mittels dem Gewinde (4) am Rohr (3) und der Verspannungsmutter (5) in den Aussenkonus (6) gezogen. Der Aussenkonus (6) ist integriert in das äussere Rohr (7). Der Aussenkonus (6) kann geschlitzt sein, um einfacheres Verspannen in der Bohrung zu ermöglichen. 1, the externally conically shaped strain-sensitive element (1) with the cathodically vapor-deposited thin-layer strain gauge measuring grid (2) is screwed into the outer cone (6) by means of the thread (4) on the tube (3) and the tensioning nut (5) ) drawn. The outer cone (6) is integrated in the outer tube (7). The outer cone (6) can be slotted to allow easier bracing in the bore.
Das im Konus (6) verkeilte Element (1) überträgt nun Durchmesseränderungen der Bohrungen, verursacht durch Dehnungen, respektive Spannungsänderungen im Material der zu messenden Struktur auf das Messgitter (2). Der gewünschte radiale Messwinkel kann an der Anfräsung vor dem Verspannen durch entsprechendes Positionieren eingestellt werden. Der Ort der zu messenden Dehnungen kann durch Anpassen der Länge gewählt werden. Das Element (1) kann mit bekannten Mitteln am Rohr (3) befestigt werden oder das Rohr (3) und das Element (1) aus einem Stück gefertigt sein. The element (1) wedged in the cone (6) now transmits changes in diameter of the bores, caused by expansions or changes in tension in the material of the structure to be measured, to the measuring grid (2). The desired radial measuring angle can be set on the milling before positioning by appropriate positioning. The location of the strains to be measured can be selected by adjusting the length. The element (1) can be attached to the tube (3) by known means or the tube (3) and the element (1) can be made in one piece.
Die Signalkabel (8) des Messgitters (2) können über die Zentralbohrung des Rohres (3) direkt in die Steuerung der Maschine oder Anlage oder auf eine integrierte elektrische Schaltung (9) geführt und konditioniert werden. Im Falle der integrierten elektrischen Schaltung kann diese diskret aufgebaut und dann im Rohr (3) vergossen werden. Sie kann aber auch direkt auf eine Verlängerung des Elementes (1) gleichzeitig mit dem Dünnschicht-Dehn-messstreifen-Messgitter (2) kathodisch aufgestäubt werden. Es können auf diese Art Widerstände sowie Lötpunkte für elektrische Bauelemente in einem Arbeitsgang aufgebracht werden. Das Verlängerungskabel (12) führt dann das konditionierte Signal in die Maschinensteuerung. The signal cables (8) of the measuring grid (2) can be routed and conditioned via the central bore of the tube (3) directly into the machine or system control or onto an integrated electrical circuit (9). In the case of the integrated electrical circuit, it can be constructed discretely and then cast in the tube (3). However, it can also be cathodically sputtered directly onto an extension of the element (1) at the same time as the thin-film strain gauge measuring grid (2). In this way, resistors and soldering points for electrical components can be applied in one operation. The extension cable (12) then leads the conditioned signal to the machine control.
Der beschriebene Aufnehmer nach Fig. 1 kann mittels einer Metallhülse (10) mit Boden (11), direkt The described sensor according to FIG. 1 can be directly by means of a metal sleeve (10) with bottom (11)
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10 10th
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20 20th
25 25th
30 30th
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40 40
45 45
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eingekapselt werden. Die Hülse (10) wird mit bekannten Mitteln auf dem Rohr (7) mit dem Aussenkonus (6) dichtend befestigt. Die Hülse (10) soll elastisch sein, um das Verspannen mittels dem Konus (6) zu gewährleisten. be encapsulated. The sleeve (10) is fastened in a sealing manner to the outer cone (6) on the tube (7) using known means. The sleeve (10) should be elastic in order to ensure bracing by means of the cone (6).
Fig. 2 zeigt eine Variante des erfindungsgemässen Aufnehmers nach Fig. 1. Dabei wird der Aufnehmer ebenfalls innerhalb der Montagebohrung verspannt. FIG. 2 shows a variant of the transducer according to the invention according to FIG. 1. The transducer is also clamped inside the mounting hole.
Die Teile zum Montieren können nachträglich durch den Anwender hergestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass man den Sensor für unterschiedliche Bohrungstiefen vor Ort anpassen kann. An die zylindrische Andrehung (13) wird ein passendes Rohrstück geklebt, welches das gekapselte Konusteil (15) in der richtigen Tiefe positioniert. Ein anderes Rohr wird an das Gewinde (14) geschraubt. Damit kann der Sensor verspannt werden. The parts for assembly can be manufactured subsequently by the user. This has the advantage that the sensor can be adapted for different drilling depths on site. A suitable piece of pipe is glued to the cylindrical projection (13), which positions the encapsulated cone part (15) at the correct depth. Another pipe is screwed onto the thread (14). This allows the sensor to be clamped.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen Aufnehmer welcher mittels einem Werkzeug in der Bohrung verspannt wird. Dabei wird die Achse (16) mittels den Stift (17) am Verdrehen gehindert und in der gewünschten radialen Richtung fixiert. Das Innenteil (20) des Montagewerkzeuges wird dazu verwendet. Das Innenteil (20) weist vorne einen Schlitz zur Aufnahme des Stiftes (17) auf. Hinten ist eine Rändelmutter oder ein anderes Teil zum Halten des Innenteils angebracht. Nun kann durch Drehen an der Verspannmutter (18) mittels dem Werkzeug (19) das Sensorelement (22) über die Spindel (16) in den Konus (23) gezogen und in der Bohrung verspannt werden. 3 shows a sensor according to the invention which is clamped in the bore by means of a tool. The axis (16) is prevented from rotating by means of the pin (17) and fixed in the desired radial direction. The inner part (20) of the assembly tool is used for this. The inner part (20) has a slot at the front for receiving the pin (17). There is a knurled nut or other part at the back to hold the inner part. The sensor element (22) can now be pulled over the spindle (16) into the cone (23) by turning the tensioning nut (18) using the tool (19) and tensioned in the bore.
Die Verspannmutter (18) weist zwei gegenüberliegende Planflächen auf. Das Werkzeug (19) weist einen Schlitz auf, welcher über die Verspannmutter (18) geschoben werden kann. So kann das Verspannmoment erzeugt werden. Die Signalkabel (24) der Messbrücke (25) können nun entweder direkt an die Auswerteelektronik geführt werden oder auf eine integrierte elektrische Schaltung (26), welche das Signal konditioniert. Die elektrische Schaltung kann wie unter Fig. 1 beschrieben ausgeführt sein. Die Hülse (26) schliesst auch hier den Sensor dicht ab. Als zusätzliche Massnahme zum Dichten kann noch ein O-Ring (27) vorgesehen werden. The tension nut (18) has two opposite flat surfaces. The tool (19) has a slot which can be pushed over the tensioning nut (18). This is how the bracing torque can be generated. The signal cables (24) of the measuring bridge (25) can now either be led directly to the evaluation electronics or to an integrated electrical circuit (26), which conditions the signal. The electrical circuit can be designed as described in FIG. 1. The sleeve (26) also seals the sensor. As an additional measure for sealing, an O-ring (27) can also be provided.
Zum Lösen des Sensors wird zuerst mit dem Rohr (19) die Verspannmutter (18) gelöst. Danach kann mittels einem Schlag auf das Rohr (20) das Element (22) aus dem Konus (23) gelöst werden. Es kann nun geschehen, dass sich der Aufnehmer nicht an der Bohrung entfernen lässt, weil das konische Element (22) sich immer wieder verspannt. In diesem Fall kann mittels dem Spezialwerkzeug nach Fig. 4 der konische Teil aus der Bohrung gezogen werden indem man das Spezialwerkzeug in die Bohrung schiebt und das Gewinde (29) über das Gewinde (28) nach Fig. 3 schraubt. Der Schlitz To release the sensor, the tension nut (18) is first loosened with the tube (19). The element (22) can then be released from the cone (23) by means of a blow on the tube (20). It can now happen that the transducer cannot be removed from the hole because the conical element (22) is always braced. In this case, the conical part can be pulled out of the bore by means of the special tool according to FIG. 4 by pushing the special tool into the bore and screwing the thread (29) over the thread (28) according to FIG. 3. The slot
(32) fasst die Verspannmutter (18). Das Signalkabel (32) holds the tensioning nut (18). The signal cable
(33) des Aufnehmers kann durch die Bohrung (31) geführt werden. Durch Ziehen an der Rändelmutter (30) kann der Aufnehmer an der Konushülse aus der Bohrung gezogen werden und damit wiederholtes, ungewolltes Verspannen während der Demontage verhindert werden. (33) of the transducer can be passed through the bore (31). By pulling on the knurled nut (30), the transducer can be pulled out of the hole on the cone sleeve, thus preventing repeated, unwanted tensioning during dismantling.
Die vorliegende Erfindung eröffnet dank der kompakten und robusten Bauart, der integrierten elektronischen Schaltung und dem kathodisch aufgebrachten Dünnschicht-Dehnmessstreifen-Messgitter neue Möglichkeiten und Anwendungen in der Überwachung von Maschinen, Geräten und Bauwerken unter extremsten Umweltbedingungen. Thanks to its compact and robust design, the integrated electronic circuit and the cathodically applied thin-layer strain gauge measuring grid, the present invention opens up new possibilities and applications in the monitoring of machines, devices and structures under the most extreme environmental conditions.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH258491A CH684442A5 (en) | 1991-09-04 | 1991-09-04 | Sensor for measuring transverse extensions in bores in structures |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH258491A CH684442A5 (en) | 1991-09-04 | 1991-09-04 | Sensor for measuring transverse extensions in bores in structures |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CH684442A5 true CH684442A5 (en) | 1994-09-15 |
Family
ID=4237083
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CH258491A CH684442A5 (en) | 1991-09-04 | 1991-09-04 | Sensor for measuring transverse extensions in bores in structures |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CH (1) | CH684442A5 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3473992A1 (en) * | 2017-10-18 | 2019-04-24 | Baumer Electric AG | Measuring device for measuring mechanical forces and / or stresses in a component |
CN110274724A (en) * | 2019-06-27 | 2019-09-24 | 苏州科技大学 | A kind of High-strength bolt axial force detection system |
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1991
- 1991-09-04 CH CH258491A patent/CH684442A5/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP3473992A1 (en) * | 2017-10-18 | 2019-04-24 | Baumer Electric AG | Measuring device for measuring mechanical forces and / or stresses in a component |
CN110274724A (en) * | 2019-06-27 | 2019-09-24 | 苏州科技大学 | A kind of High-strength bolt axial force detection system |
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PFA | Name/firm changed |
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PL | Patent ceased |