DE10018665B4 - Length sensor with piezo effect - Google Patents

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Abstract

Längensensor zum Messen einer Längenänderung eines Bauteils (1) mit mindestens einem piezoelektrischen Element (2), das zwischen zwei beabstandeten, mit dem Bauteil (1) fest verbundenen Halteteilen (3, 4) so eingespannt ist, dass eine Längenänderung (Δl) des Bauteiles (1) eine Änderung einer mechanischen Spannung und dadurch eine Änderung einer elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elementes (2) bewirkt, und einer elektronischen Auswerteschaltung (10), die in Abhängigkeit von der Änderung der elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elementes (2) ein Messsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres piezoelektrisches Element (2a) zwischen den Halteteilen (3, 4) so eingespannt ist, dass eine Längenänderung (Δl) des Bauteils (1) gegensinnige Änderungen der mechanischen Spannungen und elektrischen Eigenschaften der beiden piezoelektrischen Elemente (2, 2a) bewirkt.length sensor for measuring a change in length a component (1) having at least one piezoelectric element (2) which is spaced between two fixedly connected to the component (1) Holding parts (3, 4) is clamped so that a change in length (Δl) of Components (1) a change a mechanical stress and thereby a change of an electrical property the piezoelectric element (2) causes, and an electronic Evaluation circuit (10), which depends on the change the electrical property of the piezoelectric element (2) generates a measurement signal, characterized in that another piezoelectric element (2a) between the holding parts (3, 4) so is clamped that a length change (Δl) of the component (1) opposing changes the mechanical stresses and electrical properties of the two piezoelectric elements (2, 2a) causes.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Längensensor zum Messen einer Längenänderung eines Bauteils. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Längensensor, der als Hochdrucksensor verwendet werden kann. Bei dem Längensensor ist das piezoelektrische Element zwischen den mit dem Bauteil fest verbundenen Halteteilen so eingespannt, dass eine Längenänderung des Bauteils eine Längenänderung einer mechanischen Spannung (der Druck- und Zugspannung oder auch der Scherspannung) des piezoelektrischen Elementes bewirkt. Die hierdurch bedingte Änderung der elektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Elementes werden von einer elektronischen Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Messsignals verwendet.The The invention relates to a length sensor for Measuring a change in length a component. In particular, the invention relates to a length sensor, which can be used as a high pressure sensor. In the length sensor is the piezoelectric element between the fixed with the component connected holding parts clamped so that a change in length of the component a change in length a mechanical stress (the compressive and tensile stress or else the shearing stress) of the piezoelectric element. The resulting change the electrical properties of the piezoelectric element become from an electronic evaluation circuit for generating a measurement signal used.

Zum Messen sehr hoher Drücke bis etwa 3000 bar Berstdruck, wie sie z. B. in der Verteilerschiene (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine auftreten, sind Hochdrucksensoren bekannt geworden, bei denen die Wölbung einer dem Druck ausgesetzten metallischen Membran mittels Dehnungsmessstreifen erfasst und hieraus z. B. in einer Brückenschaltung ein Drucksignal gebildet wird. Der Durchmesser derartiger metallischer Membranen ist sehr klein, und ihre maximale Wölbung liegt in der Größenordnung von 10 μm bis 50 μm. Ferner müssen sie bis zu 1010 Lastschaltspiele aushalten. Damit sich die Kennlinie des Hochdrucksensors nicht ändert, muss der Hochdrucksensor so ausgelegt werden, dass die beteiligten Materialien im Berieb nicht über den Hookschen Bereich hinaus belastet werden. Das Verhältnis von Membrandicke zu Membrandurchmesser ist somit an die Eigenschaften der beteiligten Materialien gebunden und kann daher ein vorgegebenes materialbedingtes Verhältnis nicht überschreiten. Dies begrenzt die Messempfindlichkeit. Da die metallische Membran dem Hochdruck unmittelbar ausgesetzt ist, muss sie strömungsmitteldicht in das druckführende Rohr eingesetzt werden. Dies erfolgt z. B. dadurch, dass der Hochdrucksensor über eine Doppelkegeldichtung an das druckführende Rohr angeflanscht wird. Die hierbei auftretenden Abdichtungs- und Fertigungsschwierigkeiten schlagen sich in entsprechend hohen Herstellungskosten nieder.For measuring very high pressures up to about 3000 bar bursting pressure, as z. B. occur in the rail (common rail) of the fuel injection system of a diesel internal combustion engine, high pressure sensors have become known in which detects the curvature of a pressure-exposed metallic membrane by means of strain gauges and z. B. in a bridge circuit, a pressure signal is formed. The diameter of such metallic membranes is very small, and their maximum curvature is on the order of 10 microns to 50 microns. Furthermore, they have to withstand up to 10 10 load switching games. To prevent the characteristic curve of the high-pressure sensor from changing, the high-pressure sensor must be designed in such a way that the materials involved are not loaded beyond the Hooke range during operation. The ratio of membrane thickness to membrane diameter is thus bound to the properties of the materials involved and therefore can not exceed a given material-related ratio. This limits the measuring sensitivity. Since the metallic membrane is directly exposed to the high pressure, it must be fluid-tightly inserted into the pressure-carrying pipe. This is done z. B. in that the high pressure sensor is flanged via a Doppelkeegtichtung to the pressure-carrying pipe. The resulting sealing and manufacturing difficulties are reflected in correspondingly high production costs.

Es sind ferner piezoelektrische Drucksensoren bekannt, bei denen ein piezoelektrisches Element dem Druck (z. B. Öl- oder Zylinderdruck) unmittelbar ausgesetzt wird. Derartige piezoelektrische Drucksensoren werden bisher jedoch im Allgemeinen nur für niedrigere Drücke eingesetzt. Im Übrigen treten auch bei derartigen Drucksensoren die oben beschriebenen Abdichtungs- und Fertigungsprobleme auf, abgesehen davon, dass die maximal mögliche Lastspielanzahl derartiger Sensoren relativ beschränkt sein dürfte.It piezoelectric pressure sensors are also known in which a piezoelectric element immediately exposed to pressure (eg oil or cylinder pressure) becomes. However, such piezoelectric pressure sensors are so far generally only for lower pressures used. By the way Even with such pressure sensors, the above-described sealing and manufacturing issues, except that the maximum possible number of load cycles such sensors should be relatively limited.

Längensensoren der eingangs genannten Art, bei denen die piezoelektrischen Elemente dem Druck nicht unmittelbar ausgesetzt sind, sondern zwischen mit dem Bauteil fest verbundenen Halteteilen eingespannt sind, sind beispielsweise aus US 1,950,905 und US 4,430,899 bekannt.Length sensors of the type mentioned, in which the piezoelectric elements are not directly exposed to the pressure, but are clamped between fixedly connected to the component holding parts are, for example US 1,950,905 and US 4,430,899 known.

Piezokeramik ist kostengünstiger und in der mechanischen Gestaltungsfähigkeit flexibler als Quarz. Andererseits ist Piezokeramik temperaturfreundlicher.piezoceramic is cheaper and more flexible in mechanical design capability than quartz. On the other hand, piezoceramic is more temperature-friendly.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Längensensor zu schaffen, der extrem geringe Längenänderungen eines Bauteils erfassen kann und daher auch als Hochdrucksensor verwendet werden kann. Der Längensensor soll eine hohe Messempfindlichkeit haben, einfach und kostengünstig herzustellen sein, temperaturkompensiert sein und eine sehr große Anzahl von Lastschaltspielen aushalten.Of the present invention is based on the object, a length sensor to create that record extremely small changes in length of a component can and therefore can also be used as a high pressure sensor. Of the length sensor should have a high measuring sensitivity, simple and inexpensive to manufacture be temperature compensated and a very large number withstand load-shifting games.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.These The object is achieved by the invention defined in claim 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein weiteres piezoelektrisches Element zwischen den Halteteilen so eingespannt ist, dass eine Längenänderung des Bauteils gegensinnige Änderungen der mechanischen Spannungen und elektrischen Eigenschaften der beiden piezoelektrischen Elemente bewirkt. Beispielsweise durch Differenzbildung der die beiden piezoelektrischen Elemente durchlaufenden Signale lassen sich dann Temperatureinflüsse oder andere Umwelteinflüsse wie Alterung weitgehend ausschalten.According to the invention, it is provided that another piezoelectric element between the holding parts is clamped so that a length change of the component contrary changes the mechanical stresses and electrical properties of the two causes piezoelectric elements. For example by subtraction the signals passing through the two piezoelectric elements can then be influenced by temperature or other environmental factors as aging largely off.

Als piezoelektrisches Element kann ein Quarzkristall oder eine Piezokeramik verwendet werden. Die Halteteile, die z. B. aus Stahl bestehen, können durch Schweißen oder Schrauben in einfacher Weise an dem Bauteil befestigt werden. Als elektronische Auswerteschaltung kann z. B. eine herkömmliche Oszillatorschaltung verwendet werden. Der erfindungsgemäß ausgebildete Längensensor zeichnet sich daher durch große Einfachheit und entsprechend niedrige Herstellungskosten aus. Dennoch hat er eine hohe Messempfindlichkeit, da sich bereits bei sehr geringen Längenänderungen des Bauteils die mechanische Spannung des piezoelektrischen Elementes und damit seine elektrischen Eigenschaften deutlich ändern.When piezoelectric element may be a quartz crystal or a piezoceramic be used. The holding parts, the z. B. made of steel, can by welding or screws are easily attached to the component. As an electronic evaluation z. B. a conventional Oscillator circuit can be used. The inventively designed length sensor is characterized by large Simplicity and correspondingly low production costs. Yet he has a high sensitivity, since already at very low changes in length of the component, the mechanical stress of the piezoelectric element and thus significantly change its electrical properties.

Ist das Bauteil ein ein Hochdruckfluid enthaltender Rohrkörper, bei dem sich Längenänderungen aufgrund von Änderungen des Hochdrucks ergeben, so kann der Längensensor als Hochdrucksensor verwendet werden. Da das piezoelektrische Element dem Druck nicht unmittelbar ausgesetzt ist, sondern mit Hilfe der Halteteile an der Außenseite des Rohrkörpers befestigt wird, treten die eingangs geschilderten Abdichtungs- und Fertigungsprobleme nicht auf. Darüber hinaus kann ein entsprechend ausgebildeter Hochdrucksensor eine extrem hohe Anzahl von Lastschaltspielen (bis zu 1010) aushalten. Außerdem ist er zum Erfassen von sehr großen Drücken bis 3000 bar Berstdruck ohne Weiteres geeignet. Der erfindungsgemäß ausgebildete Hochdrucksensor lässt sich daher beispielsweise als Hochdrucksensor für den Druck in einer Verteilerschiene einer Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine verwenden.If the component is a tube body containing a high-pressure fluid, which results in changes in length due to changes in the high pressure, so the length sensor can be used as a high pressure sensor. Since the piezoelectric element is not directly exposed to the pressure, but is fixed by means of the holding parts on the outside of the tubular body, the above-mentioned sealing and manufacturing problems do not occur. In addition, an appropriately designed high-pressure sensor can withstand an extremely high number of load switching cycles (up to 10 10 ). In addition, it is suitable for detecting very large pressures up to 3000 bar bursting pressure readily. The high-pressure sensor designed according to the invention can therefore be used, for example, as a high-pressure sensor for the pressure in a distributor rail of a fuel injection system of an internal combustion engine.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:Based The drawings are preferred embodiments of the invention explained in more detail. It shows:

1 einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Ausführungsform eines an einem Bauteil angebrachten gattungsgemäßen Längensensors; 1 a longitudinal section through a schematically illustrated embodiment of a mounted on a component generic length sensor;

2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform; 2 one of the 1 corresponding representation of a modified embodiment;

3–5 verschiedene Ausführungsformen der Elektroden des piezoelektrischen Elementes des Längensensors in den 1 und 2; 3 - 5 various embodiments of the electrodes of the piezoelectric element of the length sensor in the 1 and 2 ;

6 ein Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Elementes; 6 an equivalent circuit diagram of the piezoelectric element;

7–10 schematische Schaltbilder verschiedener Ausführungsformen der Auswerteschaltung; 7 - 10 schematic circuit diagrams of various embodiments of the evaluation circuit;

11 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Längensensors; 11 a schematic sectional view of a length sensor according to the invention;

12 eine schematische Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längensensors mit Temperaturausgleich; 12 a schematic plan view of a modified embodiment of a length sensor according to the invention with temperature compensation;

13, 14 schematische Schnittdarstellungen einer abgewandelten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Längensensors mit Temperaturausgleich; 13 . 14 schematic sectional views of a modified embodiment of a length sensor according to the invention with temperature compensation;

15 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Längensensors mit Temperaturausgleich; 15 a schematic sectional view of another embodiment of a length sensor according to the invention with temperature compensation;

16–19 verschiedene Ausführungsformen einer Auswerteschaltung für die Längensensoren der 11 bis 15. 16 - 19 Various embodiments of an evaluation circuit for the length sensors of 11 to 15 ,

Das in 1 dargestellte Bauteil 1 ist ein geschlossener Rohrkörper aus einem elastisch dehnbaren Material wie z. B. Stahl, der mit einem Hochdruckfluid gefüllt ist. Beispielsweise steht das Innere des Bauteils 1 mit der Verteilerschiene (common rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) in Verbindung. Aufgrund des im Inneren des Bauteils 1 herrschenden hohen Drucks von z. B. 2000 bar bis 3000 bar erfährt das Bauteil 1 eine Längenänderung (angedeutet durch den Pfeil Δl) in Richtung der x-Achse. Durch Messen der Längenänderung Δ1 wird dann auf den im Bauteil 1 herrschenden Druck des Fluides rückgeschlossen.This in 1 illustrated component 1 is a closed tubular body made of an elastically stretchable material such. As steel, which is filled with a high pressure fluid. For example, the interior of the component stands 1 to the common rail of the fuel injection system of a diesel internal combustion engine (not shown). Due to the inside of the component 1 prevailing high pressure of z. B. 2000 bar to 3000 bar undergoes the component 1 a change in length (indicated by the arrow .DELTA.l) in the direction of the x-axis. By measuring the change in length Δ1 is then on the component 1 prevailing pressure of the fluid inferred.

Zum Messen der Längenänderung Δl ist der in 1 dargestellte Längensensor vorgesehen, dessen mechanischer Teil aus einem piezoelektrischen Element 2 mit Elektroden 6, 7 und zwei Halteteilen 3, 4 besteht. Das piezoelektrische Element 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als das Bauteil 1 umgebender Ringkörper ausgebildet, der von den Halteteilen 3, 4 mit einer vorgegebenen Vorspannung in Richtung der x-Asche eingespannt wird. Die aus Stahl bestehenden, ebenfalls ringförmig ausgebildeten Halteteile 3, 4 sind mit dem Bauteil 1 fest verbunden, beispielsweise durch Schweißen, wie durch Schweißnähte 5 angedeutet, oder durch Schrauben. Die Halteteile 3, 4 übertragen somit eine Längenänderung Δl des Bauteils 1 unmittelbar auf das piezoelektrische Element 2, was sich in einer entsprechenden Änderung der Druck- bzw. Zugspannung des piezoelektrischen Elementes 2 niederschlägt. Die hierdurch bedingte Änderung der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elementes 2 wird dann in einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Messsignals verwendet, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird.To measure the change in length .DELTA.l is the in 1 shown length sensor provided, the mechanical part of a piezoelectric element 2 with electrodes 6 . 7 and two holding parts 3 . 4 consists. The piezoelectric element 2 is in the illustrated embodiment as the component 1 surrounding ring body formed by the holding parts 3 . 4 is clamped with a predetermined bias in the direction of the x-ash. The existing steel, also ring-shaped holding parts 3 . 4 are with the component 1 firmly connected, for example by welding, as by welds 5 indicated, or by screws. The holding parts 3 . 4 thus transmit a change in length .DELTA.l of the component 1 directly on the piezoelectric element 2 , resulting in a corresponding change in the compressive or tensile stress of the piezoelectric element 2 reflected. The consequent change in the resonant frequency of the piezoelectric element 2 is then used in an evaluation circuit for generating a measurement signal, as will be explained in more detail below.

Wie bereits erwähnt, werden die Halteteile 3, 4 am Bauteil 1 so angebracht, dass das piezoelektrische Element 2 in Richtung der x-Achse vorgespannt wird und somit unter einer vorgegebenen Druckspannung steht. Diese Vorspannung wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass das piezoelektrische Element 2 im gesamten Bereich der möglichen Längenänderungen Δl des Bauteils 1 im Druckspannungsbereich ver bleibt, da piezoelektrisches Material, insbesondere Piezokeramik, auf Druckspannungen besser als auf Zugspannungen reagiert.As already mentioned, the holding parts 3 . 4 on the component 1 attached so that the piezoelectric element 2 is biased in the direction of the x-axis and thus is under a predetermined compressive stress. This bias is suitably chosen so that the piezoelectric element 2 in the entire range of possible changes in length Δl of the component 1 ver remains in the compressive stress region, since piezoelectric material, in particular piezoceramics, reacts better to compressive stresses than to tensile stresses.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass das piezoelektrische Element von den Halteteilen auch so eingespannt werden kann, dass es auf Scherung beansprucht wird, wie dies anhand der 13, 14 noch genauer erläutert wird.It should be noted that the piezoelectric element of the holding parts can also be clamped so that it is subjected to shear, as shown by the 13 . 14 will be explained in more detail.

Bei dem in 1 dargestellten Längensensor ist die Elektrode 6 als Masseelektrode ausgebildet, wobei die Masse von den Halteteilen 3, 4 und dem Bauteil 1 gebildet wird. Die andere Elektrode 7 besteht beispielsweise aus einer auf das piezoelektrische Element 2 aufgedampften Metallschicht, die kapazitiv (also kontaktlos) mit einer Kondensatorplatte C verbunden ist. Wie gezeigt, ist die Elektrode 7 radial innerhalb des piezoelektrischen Elementes 2 angeordnet, während ein einhülsenförmiger Abschnitt des Halteteils 3, der einen Teil der Elektrode 6 bildet, das piezoelektrische Element 2 außen umgibt. Hierdurch wird eine gewisse elektrische Abschirmung der Elektrode 7 und des piezoelektrischen Elementes 2 erzielt. Grundsätzlich ist jedoch auch die umgekehrte Anordnung möglich, bei der sich die Masseelektrode radial innerhalb und die andere Elektrode radial außerhalb des piezoelektrischen Elementes 2 befindet.At the in 1 shown length sensor is the electrode 6 formed as a ground electrode, wherein the mass of the holding parts 3 . 4 and the component 1 is formed. The other electrode 7 for example, consists of one on the piezoelectric element 2 vapor-deposited metal layer which is capacitively (ie contactless) connected to a capacitor plate C. As shown, the electrode is 7 radially within the piezoelectric element 2 arranged while a sleeve-shaped portion of the holding part 3 which is part of the electrode 6 forms, the piezoelectric element 2 outside surrounds. This will cause some electrical shielding of the electrode 7 and the piezoelectric element 2 achieved. In principle, however, the reverse arrangement is possible, in which the ground electrode radially inside and the other electrode radially outside of the piezoelectric element 2 located.

Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der in 1 dadurch, dass das piezoelektrische Element 2 und die Halteteile 3, 4 nicht als Ringkörper, sondern lediglich als seitlich am Bauteil 1 angebrachte Stabkörper ausgebildet sind. Die ringförmige Anordnung der 1 wird insbesondere bei kleinen Gesamtabmessungen gewählt, während die in 2 gezeigte seitliche Anordnung bei größeren Gesamtabmessungen ausreichend ist.The embodiment of the 2 is different from the one in 1 in that the piezoelectric element 2 and the holding parts 3 . 4 not as a ring body, but only as a side of the component 1 attached rod body are formed. The annular arrangement of 1 is chosen especially for small overall dimensions, while the in 2 shown lateral arrangement is sufficient for larger overall dimensions.

Ein weiterer Unterschied des Ausführungsbeispiels der 2 gegenüber dem der 1 besteht darin, dass die Elektroden 6, 7 nicht quer zur x-Achse, sondern parallel zur x-Achse angeordnet sind. Hierbei wird die als Masseelektrode ausgebildete Elektrode 6 wiederum von den Halteteilen 3, 4 und dem Bauteil 1 gebildet, während die zwischen dem piezoelektrischen Element 2 und dem Halteteil 3 liegende Elektrode 7 durch einen Isolator 8 gegenüber der Masse isoliert ist.Another difference of the embodiment of 2 opposite to the 1 is that the electrodes 6 . 7 not transverse to the x-axis, but are arranged parallel to the x-axis. Here, the electrode formed as a ground electrode 6 turn from the holding parts 3 . 4 and the component 1 formed while between the piezoelectric element 2 and the holding part 3 lying electrode 7 through an insulator 8th isolated from the mass.

Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Möglichkeiten zum Anordnen und Ausbilden der Elektroden 6, 7. Die Anordnung der Elektroden 6, 7 in 3 entspricht der in 2. Bei der Anordnung der 4 sind beide Elektroden 6, 7 gegenüber den Halteteilen 3, 4 durch jeweils einen Isolator 8 bzw. 9 isoliert. Bei der Anordnung der 5 sind die Elektroden 6, 7 auf Flächen des piezoelektrischen Elementes 2 aufgedampft, die quer zur Richtung der Längenänderung ausgerichtet sind. Dies bietet die Möglichkeit, die Elektroden 6, 7 kontaktlos mit den Platten eines Kondensators C zu koppeln, dessen Dielektrikum im Wesentlichen von dem piezoelektrischen Element 2 gebildet wird.The 3 to 5 show various possibilities for arranging and forming the electrodes 6 . 7 , The arrangement of the electrodes 6 . 7 in 3 corresponds to the in 2 , In the arrangement of 4 are both electrodes 6 . 7 opposite the holding parts 3 . 4 by one insulator each 8th respectively. 9 isolated. In the arrangement of 5 are the electrodes 6 . 7 on surfaces of the piezoelectric element 2 vapor-deposited, which are aligned transversely to the direction of change in length. This offers the possibility of using the electrodes 6 . 7 to couple contactlessly with the plates of a capacitor C, whose dielectric substantially from the piezoelectric element 2 is formed.

Wie bereits erwähnt, besteht das piezoelektrische Element 2 beispielsweise aus einem Quarz. Die elektrischen Eigenschaften des Quarzes lassen sich bekanntlich durch elektrisches Ersatzschaltbild (6) veranschaulichen. Der Quarz stellt gewissermaßen einen Schwingkreis mit Kondensator C, Widerstand R und Spule L sowie mit der Streukapazität CO dar, für den üblicherweise das in 6 gezeigte Schaltzeichen verwendet wird. Im Folgenden wird daher das piezoelektrische Element 2 der 1 bis 5 als piezoelektrisches Glied Q bezeichnet und mit dem Schaltzeichen rechts in 6 dargestellt.As already mentioned, the piezoelectric element is made 2 for example, from a quartz. The electrical properties of the quartz can be known by electrical equivalent circuit diagram ( 6 ) illustrate. The quartz represents a kind of resonant circuit with capacitor C, resistor R and coil L and with the stray capacitance CO, for which usually the in 6 shown switching symbol is used. In the following, therefore, the piezoelectric element 2 of the 1 to 5 denoted as piezoelectric element Q and having the circuit symbol right in 6 shown.

Die Auswerteschaltung 10 des Längensensors weist zweckmäßigerweise eine Oszillatorschaltung auf, deren frequenzbestimmendes Element das piezoelektrische Glied Q ist. Da derartige Oszillatorschaltungen dem Fachmann in großer Vielfalt bekannt sind, werden im Folgenden lediglich einige Ausführungsbeispiele kurz angerissen. Unter frequenzbestimmend wird daher verstanden, dass das piezoelektrische Glied Q die Eigenschaften eines Schwingkreises maßgeblich beeinflusst. Dabei kann es sich beispielsweise um die Resonanzfrequenz handeln.The evaluation circuit 10 of the length sensor expediently has an oscillator circuit whose frequency-determining element is the piezoelectric element Q. Since such oscillator circuits are known to a person skilled in the art in great variety, only a few exemplary embodiments will be briefly described below. Frequency-determining is therefore understood to mean that the piezoelectric element Q decisively influences the properties of a resonant circuit. This may, for example, be the resonant frequency.

So zeigt beispielsweise 7 eine Auswerteschaltung 10 in Form einer einfachen Oszillatorschaltung mit dem piezoelektrischen Glied Q (piezoelektrischen Element 2) als frequenzbestimmendem Element, zwei invertierenden Operationsverstärkern OP und einem Widerstand R. Eine andere Ausführungsform einer Oszillatorschaltung zeigt 8, bei der das piezoelektrische Glied Q über seine eine Elektrode einseitig geerdet ist, während die andere Elektrode über zwei Kondensatoren C1 und C2 zur Phasendrehung mit einem Verstärker V verbunden ist. Ein weiterer Kondensator C3 ist zu dem das piezoelektrische Element Q, die Kondensatoren C1, C2 und den Verstärker V enthaltenden Zweig parallel geschaltet.So shows, for example 7 an evaluation circuit 10 in the form of a simple oscillator circuit with the piezoelectric element Q (piezoelectric element 2 ) as a frequency determining element, two inverting operational amplifiers OP and a resistor R. Another embodiment of an oscillator circuit shows 8th in which the piezoelectric element Q is grounded on one side via its one electrode, while the other electrode is connected to an amplifier V via two capacitors C1 and C2 for phase rotation. Another capacitor C3 is connected in parallel to the branch containing the piezoelectric element Q, the capacitors C1, C2 and the amplifier V.

In einer derartigen Auswerteschaltung 10 wird das piezoelektrische Glied Q zu Schwingungen angeregt, bei denen es sich um Longitudinal-, Transversal- oder Schwerschwingungen handeln kann. Hier können die gebräuchlichen Schnitte des Quarzkristalls zur Anwendung kommen, wobei der AT-Schnitt wegen seiner bekannt guten Temperatureigenschaften bevorzugt wird.In such an evaluation circuit 10 For example, the piezoelectric element Q is excited to vibrate, which may be longitudinal, transversal, or heavy. Here, the usual cuts of the quartz crystal can be used, the AT cut is preferred because of its known good temperature properties.

Die Auswerteschaltung 10 kann die Frequenz, Periodendauer, Phasenverschiebung, eine Schwebungsfrequenz oder Pulsweitenmodulation eines das piezoelektrische Glied Q durchlaufenden elektrischen Signals zur Erzeugung eines Messsignals verwenden. Das Messsignal kann in Form eines Längensignals abgegeben werden, wenn der Längensensor ausschließlich zum Messen von Längenänderungen verwendet wird. Soll der Längensensor jedoch als Hochdrucksensor eingesetzt werden, so wird das Längenänderungssignal durch die Auswerteschaltung 10 in ein Drucksignal umgewandelt.The evaluation circuit 10 may use the frequency, period, phase shift, beat frequency or pulse width modulation of an electrical signal passing through the piezoelectric element Q to generate a measurement signal. The measurement signal can be output in the form of a length signal if the length sensor is used exclusively for measuring changes in length. However, if the length sensor is to be used as a high-pressure sensor, the length change signal is output by the evaluation circuit 10 converted into a pressure signal.

In den 9 und 10 ist nochmals in stark schematischer Weise eine Auswerteschaltung 10 in Form einer Oszillatorschaltung dargestellt, deren frequenzbestimmendes Element von dem piezoelektrischen Glied Q gebildet wird. Die 9 zeigt eine „Dreidraht-Ausführung" der Auswerteschaltung, bei der zwei Leitungen zur Stromversorgung und eine eigene Signalleitung für das abgegriffene Messsignal vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform der 10 handelt es sich um eine „Zweidraht-Ausführung", bei der die Signalübertragung und die Stromversorgung auf denselben Leitungen erfolgen, jedoch durch unterschiedliche Frequenzen oder durch Gleich- und Wechselstrom voneinander getrennt werden.In the 9 and 10 is again in a highly schematic way an evaluation circuit 10 represented in the form of an oscillator circuit whose frequency-determining element is formed by the piezoelectric element Q. The 9 shows a "three-wire design" of the evaluation circuit, in which two lines for power supply and a separate signal line is provided for the tapped measurement signal 10 It is a "two-wire version" in which the signal transmission and the power supply are on the same lines, but separated by different frequencies or by direct and alternating current.

Das Messsignal kann als Augenblickswert- oder Mittelwertsignal ausgegeben werden. Das Mittelwertsignal hat eine hohe Genauigkeit und erlaubt ein integrierendes Auswerteverfahren, ist jedoch langsam. Es wird vorzugsweise als digitaler Wert und als serielle Information ausgegeben. Das Augenblickswertsignal hat zwar eine geringere Genauigkeit, ist jedoch schneller. Es muss deshalb meist mit einem Filter mit einer Grenzfrequenz oberhalb des gewünschten Übertragungsfrequenzbereichs gegen Störimpulse nachbearbeitet werden. Es wird vorzugsweise als pulsweitenmoduliertes Signal für einen Microcontroller verwendet.The Measurement signal can be output as instantaneous or average signal become. The average signal has a high accuracy and allows a integrating evaluation process, but is slow. It is preferably output as digital value and as serial information. The Although the instantaneous signal has a lower accuracy, it is more quickly. It therefore usually needs a filter with a cutoff frequency above the desired transmission frequency range against interference pulses be reworked. It is preferably as pulse width modulated Signal for used a microcontroller.

Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Bauteil 2 um die Verteilerschiene (common rail) einer Kraftstoffeinspritzanlage handeln. Der als Hochdrucksensor ausgebildete Längensensor lässt sich dann durch Messen des Drucks zu einer Diagnose der Verteilerschiene verwenden, nachdem der Sensor im eingebauten Zustand kalibriert wurde. Ferner können derartige Hochdrucksensoren zur Diagnose der Einspritzventile verwendet werden. Beim Einspritzvorgang der einzelnen Einspritzventile treten Druckspitzenschwankungen auf, deren Ausmaß von der Qualität der einzelnen Einspritzventile abhängt und nach einen Rückschluss auf die eingespritzte Kraftstoffmenge erlaubt. Diese kurzfristig auftretenden Druckschwankungen können durch die beschriebenen Hochdrucksensoren gemessen werden, und die Abweichungen der Druckschwankungen an den einzelnen Einspritzventilen lassen sich dann als Maß für die Qualität des betreffenden Einspritzventils im Verhältnis zum Durchschnittswert der Einspritzventile oder auch im Verhältnis zum zeitlichen Mittelwert der Eigenschaften eines einzelnen Einspritzventils (Alterung) auswerten.As already mentioned, it may be in the component 2 to trade the common rail of a fuel injection system. The length sensor designed as a high-pressure sensor can then be used by measuring the pressure for a diagnosis of the busbar after the sensor has been calibrated in the installed state. Furthermore, such high pressure sensors can be used to diagnose the injectors. When injecting the individual injectors occur pressure spike fluctuations, the extent of which depends on the quality of the individual injectors and after a conclusion on the injected fuel quantity allowed. These short-term pressure fluctuations can be measured by the described high-pressure sensors, and the deviations of the pressure fluctuations at the individual injectors can then be used as a measure of the quality of the injector concerned in relation to the average value of the injectors or in relation to the time average of the characteristics of a single injector Evaluate (aging).

Wie bereits erwähnt, ist Quarz teuerer als Piezokeramik und hinsichtlich seiner mechanischen Gestaltungsfähigkeit nicht so flexibel. Piezokeramik ist jedoch temperaturempfindlicher. Die in den 11 bis 15 dargestellten erfindungs gemäßen Längensensoren bzw. Hochdrucksensoren sind daher so ausgebildet, dass sich Temperatureinflüsse auch bei Verwendung von Piezokeramik als Sensorelement ausschalten lassen.As already mentioned, quartz is more expensive than piezoceramic and less flexible in terms of its mechanical design capability. Piezoceramic is more temperature sensitive. The in the 11 to 15 illustrated fiction, contemporary length sensors or high pressure sensors are therefore designed so that can be turned off even when using piezoelectric ceramic as a sensor element temperature influences.

Der in 11 dargestellte Längensensor entspricht den in den 1 und 2 dargestellten Längensensoren insofern, als ein piezoelektrisches Element 2 zwischen zwei Halteteilen 3, 4 eingespannt ist, die ihrerseits an dem Bauteil 1 befestigt sind. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch noch ein zweites piezoelektrisches Element 2a vorgesehen, das zwischen den Halteteilen 3, 4 so eingespannt ist, dass es bei einer Längenänderung Δl des Bauteils 1 gegensinnig zu dem piezoelektrischen Element 2 beansprucht wird. Wenn somit das piezoelektrische Element 2 gedehnt wird, wird das piezoelektrische Element 2a gestaucht, und umgekehrt.The in 11 shown length sensor corresponds to the in the 1 and 2 shown length sensors insofar as a piezoelectric element 2 between two holding parts 3 . 4 is clamped, in turn, on the component 1 are attached. At the in 4 However, the embodiment shown is still a second piezoelectric element 2a provided that between the holding parts 3 . 4 is clamped so that it at a change in length .DELTA.l of the component 1 in the opposite direction to the piezoelectric element 2 is claimed. Thus, when the piezoelectric element 2 is stretched, the piezoelectric element 2a compressed, and vice versa.

Zu diesem Zweck hat das Halteteil 4 einen am Bauteil 1 befestigten Befestigungsabschnitt 12, von dem ein Arm 14 mit einem zur x-Achse parallelen Abschnitt und einem senkrecht dazu nach innen verlaufenden Abschnitt abgeht. Das Halteteil 3 besteht aus einem Befestigungsabschnitt 11, von dem ein Arm 13 abgeht. Der Arm 13 hat einen senkrecht zur x-Achse nach außen verlaufenden Abschnitt, einen parallel zur x-Achse verlaufenden Abschnitt, der das piezoelektrische Element 2a übergreift, und einen quer zur x-Achse nach innen verlaufenden Abschnitt. Aufgrund dieser Gestaltung hat jedes Halteteil 3, 4 zwei entgegengesetzt gerichtete Abstützflächen 13a, 13b und 14a, 14b, die paarweise einander so zugeordnet sind, dass das piezoelektrische Element 2 zwischen den Abstützflächen 13a und 14a und das piezoelektrische Element 2a zwischen den Stützflächen 13b und 14b eingespannt wird. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, dass die beiden piezoelektrischen Elemente 2 und 2a in einer Richtung senkrecht zur x-Achse fluchten.For this purpose, has the holding part 4 one on the component 1 fixed attachment section 12 from which an arm 14 with a parallel to the x-axis section and a perpendicular to this inward extending section. The holding part 3 consists of a mounting section 11 from which an arm 13 going on. The arm 13 has a portion extending perpendicular to the x-axis, a portion extending parallel to the x-axis, which is the piezoelectric element 2a overlaps, and a transverse to the x-axis inward section. Due to this design has each holding part 3 . 4 two oppositely directed support surfaces 13a . 13b and 14a . 14b , which are pairwise associated with each other so that the piezoelectric element 2 between the support surfaces 13a and 14a and the piezoelectric element 2a between the support surfaces 13b and 14b is clamped. The arrangement is in this case made such that the two piezoelectric elements 2 and 2a are aligned in a direction perpendicular to the x-axis.

Es versteht sich, dass die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a als Ringkörper wie in 1 oder als Stabkörper wie in 2 ausgebildet werden können.It is understood that the piezoelectric elements 2 and 2a as a ring body as in 1 or as a rod body as in 2 can be trained.

12 zeigt einen Längensensor, der an einer Seite eines eben ausgebildeten Bauteils 1 angebracht werden kann und der zum Messen einer Längenänderung Δl in Form einer Parallelverschiebung dient, die durch die Zeichen x sowie x + dx angedeutet ist. In diesem Fall ist das Halteteil 3 T-förmig mit einem Befestigungsabschnitt 11 und einem quer dazu verlaufenden Arm 13 ausgebildet, während das Halteteil 4 hufeisenförmig mit einem Befestigungsabschnitt 12 und zwei daran angeformten Armen 14 ausgebildet ist. Der Arm 13 des Halteteils 3 greift hierbei so zwischen die Arme 14 des Halteteils 4, dass die piezoelektrischen Elemente 2 zwischen den sich gegenüberliegenden Abstützflächen 13a, 14a und 13b, 14b der beiden Haltefile 3, 4 eingespannt werden. Erfährt somit das Bauteil 1 im Bereich der Schweißnaht 5 des Halteteils 4 eine Längenänderung Δl relativ zu der Schweißnaht 5 des Halteteils 3, so kommt es zu einer gegensinnigen Beanspruchung der piezoelektrischen Elemente 2 und 2a ähnlich wie in 11. 12 shows a length sensor which is on one side of a newly formed component 1 can be attached and used to measure a change in length .DELTA.l in the form of a parallel displacement, which is indicated by the characters x and x + dx. In this case, the holding part 3 T-shaped with a fastening section 11 and a transverse arm 13 formed while the holding part 4 horseshoe-shaped with a fastening section 12 and two arms molded to it 14 is trained. The arm 13 of the holding part 3 In doing so, grab between your arms 14 of the holding part 4 in that the piezoelectric elements 2 between the opposing support surfaces 13a . 14a and 13b . 14b the two Haltefile 3 . 4 clamped become. Thus experiences the component 1 in the area of the weld 5 of the holding part 4 a change in length Δl relative to the weld 5 of the holding part 3 , it comes to an opposite sense of the piezoelectric elements 2 and 2a similar to in 11 ,

In diesem Fall ist die Anordnung allerdings so getroffen, dass die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a in Richtung der x-Achse zueinander fluchten.In this case, however, the arrangement is such that the piezoelectric elements 2 and 2a aligned with each other in the direction of the x-axis.

Bei den Ausführungsformen der 11 und 12 werden die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a auf Druck und Zug beansprucht. Bei der in 13 und 14 gezeigten Ausfüh rungsform werden die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a dagegen auf Scherung beansprucht. Zu diesem Zweck sind die piezoelektrischen Elemente 2, 2a zwischen sich gegenüberliegenden Abstützflächen 13a, 14a und 13b, 14b eingespannt, die nicht senkrecht zur Richtung der Längenänderung Δl, sondern parallel dazu verlaufen. Hierzu sind die beiden Halteteile 3, 4 L-förmig mit einem senkrecht zur x-Achse verlaufenden Befestigungsabschnitt 11 bzw. 12 und einem parallel zur x-Achse verlaufenden Arm 13 bzw. 14 versehen, wie die in den 13 und 14 dargestellt ist.In the embodiments of the 11 and 12 become the piezoelectric elements 2 and 2a stressed on pressure and train. At the in 13 and 14 The embodiment shown, the piezoelectric elements 2 and 2a on the other hand claimed to shear. For this purpose, the piezoelectric elements 2 . 2a between opposing support surfaces 13a . 14a and 13b . 14b clamped, which are not perpendicular to the direction of change in length .DELTA.l, but parallel to it. These are the two holding parts 3 . 4 L-shaped with a perpendicular to the x-axis mounting portion 11 respectively. 12 and an arm parallel to the x-axis 13 respectively. 14 provided, like those in the 13 and 14 is shown.

Auch bei den in den 11 bis 14 dargestellten Ausführungsbeispielen werden die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a einer mechanischen Vorspannung unterworfen, um Zugspannungen in den piezoelektrischen Elementen zu vermeiden. Zweckmäßigerweise wird die Vorspannung so gewählt, dass sie doppelt so groß ist wie die im Betrieb maximal auftretende Zugspannung. Die mechanische Vorspannung der Sensoren ist in 13 durch eine Schrägstellung des piezoelektrischen Elementes 2a symbolisch angedeutet. 14 zeigt den Zustand nach einer Längenänderung Δl, wobei die hierdurch bedingte Änderung der mechanischen Beanspruchung der piezoelektrischen Elemente 2, 2a wiederum symbolisch angedeutet ist.Also in the in the 11 to 14 Illustrated embodiments are the piezoelectric elements 2 and 2a subjected to a mechanical bias to avoid tensile stresses in the piezoelectric elements. Conveniently, the bias voltage is chosen so that it is twice as large as the maximum tensile stress occurring during operation. The mechanical preload of the sensors is in 13 by an inclination of the piezoelectric element 2a symbolically indicated. 14 shows the state after a change in length .DELTA.l, the resulting change in the mechanical stress of the piezoelectric elements 2 . 2a again symbolically indicated.

Bei dem in 15 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Bauteil 1 aus einer Welle. Der aus den piezoelektrischen Elementen 2, 2a und den Halteteilen 3, 4 bestehende Sensor dient in diesem Fall ausschließlich als Längensensor. Er hat einen ähnlichen Aufbau wie in 11, wobei die Anordnung allerdings so getroffen ist, dass die piezoelektrischen Elemente 2, 2a nicht senkrecht zur x-Achse, sondern parallel zur x-Achse fluchten. Hierdurch ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau des Sensors und eine einfach geometrische Form der Halteteile 3, 4, die, wie schematisch angedeutet, beispielsweise mittels Passstiften an der Welle befestigt werden.At the in 15 illustrated embodiment, the component 1 from a wave. The from the piezoelectric elements 2 . 2a and the holding parts 3 . 4 existing sensor serves in this case exclusively as a length sensor. He has a similar structure as in 11 However, the arrangement is made such that the piezoelectric elements 2 . 2a not perpendicular to the x-axis, but aligned parallel to the x-axis. This results in a particularly compact design of the sensor and a simple geometric shape of the holding parts 3 . 4 , which, as indicated schematically, for example, be attached by means of dowel pins on the shaft.

Wenn auch in 11 bis 15 nicht dargestellt, versteht es sich jedoch, dass die piezoelektrischen Elemente 2 und 2a jeweils mit zwei Elektroden versehen sind, die wie in den 3 bis 5 ausgebildet sein können.Although in 11 to 15 not shown, it is understood, however, that the piezoelectric elements 2 and 2a are each provided with two electrodes, as in the 3 to 5 can be trained.

Da bei den Ausführungsbeispielen der 11 bis 15 die piezoelektrischen Elemente 2, 2a bei einer Längenänderung Δl des Bauteils 1 gegensinnig beansprucht werden, wird bei einer Differenzbildung der die piezoelektrischen Elemente 2, 2a durchlaufenden Signale der Signalhub verdoppelt. Bei einer Änderung der Umgebungstemperatur (oder anderen Umwelteinflüssen) kommt es dagegen zu einer gleichsinnigen Dehnung oder Kontraktion der piezoelektrischen Elemente 2 und 2a. Durch die oben erwähnte Differenzbildung werden daher die durch die Temperaturänderung bedingten Signalanteile eliminiert.As in the embodiments of the 11 to 15 the piezoelectric elements 2 . 2a at a change in length .DELTA.l of the component 1 are claimed in opposite directions, the difference in the piezoelectric elements 2 . 2a continuous signals doubled the signal swing. On the other hand, if the ambient temperature (or other environmental influences) changes, the same direction elongation or contraction of the piezoelectric elements occurs 2 and 2a , Due to the difference formation mentioned above, therefore, the signal components caused by the temperature change are eliminated.

Eine andere Möglichkeit zur Kompensation von Temperatureinflüssen besteht darin, durch einen Vergleich der die beiden piezoelektrischen Elemente 2 und 2a durchlaufenden Signale den temperaturbedingten Signalanteil zu ermitteln und diesen dann bei der Bildung des Messsignals entsprechend zu berücksichtigen.Another way to compensate for temperature effects is by comparing the two piezoelectric elements 2 and 2a continuous signals to determine the temperature-related signal component and then take into account when forming the measurement signal accordingly.

Entsprechend ausgebildete Auswerteschaltungen 10 sind in den 16 bis 19 dargestellt.Appropriately designed evaluation circuits 10 are in the 16 to 19 shown.

So besteht die Auswerteschaltung 10 der 16 aus einer mit einem sinusförmigen Signal gespeisten Brückenschaltung mit den beiden piezoelektrischen Gliedern Q1, Q2 und zwei zweipoligen Gliedern Z1, Z2 (z. B. in Form von Widerständen). Der Q1 und Z1 enthaltende Zweig und Q2 und Z2 enthaltende Zweig sind mit einem Differenzverstärker OPDiff zur Erzeugung eines Differenzsignals verbunden, dessen Amplitude oder Frequenz oder Phase zur Bildung des Messsignals auswertbar ist.So there is the evaluation circuit 10 of the 16 from a bridge circuit fed with a sinusoidal signal with the two piezoelectric elements Q1, Q2 and two two-pole elements Z1, Z2 (eg in the form of resistors). The branches containing Q1 and Z1 and branches containing Q2 and Z2 are connected to a differential amplifier OP Diff for generating a difference signal whose amplitude or frequency or phase can be evaluated to form the measurement signal.

In 17 ist in schematischer Weise eine Auswerteschaltung 10 angedeutet, bei der Rechtecksignale die beiden piezoelektrischen Glieder Q1 und Q2 durchlaufen und in einer Vergleichsschaltung durch Erfassen ihrer Laufzeit- oder Phasenunterschiede zur Bildung des Messsignals ausgewertet werden.In 17 is a schematic evaluation circuit 10 indicated in the square wave signals through the two piezoelectric elements Q1 and Q2 and are evaluated in a comparison circuit by detecting their transit time or phase differences to form the measurement signal.

Die in 18 dargestellte Auswerteschaltung 2 besteht aus zwei einfachen Oszillatoren gemäß 7 mit jeweils einem piezoelektrischen Glied Q1 bzw. Q2, zwei invertierenden Operationsverstärkern OP1 bzw. OP2 und einem Widerstand R1 bzw. R2. Die Ausgänge der beiden Oszillatoren sind in einem Exklusiv-ODER-Glied verknüpft. Die als Rechteckimpulse vorliegenden Ausgangssignale a und b der beiden Oszillatoren werden in dem Exklusiv-ODER-Glied OR so verknüpft, dass die entstehenden x-Impulse eine umso größere Impulsbreite haben, je größer die Frequenzdifferenz zwischen a und b ist. Dadurch werden, wie bereits erwähnt, die temperaturbedingten Signalanteile eliminiert. Im Fall analoger Signalpegel entsteht durch die Überlagerung der beiden Ausgangssignale der Oszillatoren eine Differenzfrequenz, die umso größer ist, je größer die Änderung der mechanischen Spannung in den piezoelektrischen Elementen ist.In the 18 illustrated evaluation circuit 2 consists of two simple oscillators according to 7 each with a piezoelectric element Q1 or Q2, two inverting operational amplifiers OP1 and OP2 and a resistor R1 and R2, respectively. The outputs of the two oscillators are linked in an exclusive-OR gate. The output signals a and b of the two oscillators present as rectangular pulses are combined in the exclusive-OR gate OR in such a way that the resulting x-pulses have an even larger pulse width, the greater the frequency difference between a and b is. As a result, as already mentioned, the temperature-related signal components are eliminated. In the case of analog signal levels, as a result of the superimposition of the two output signals of the oscillators, a difference frequency is generated which is greater, the greater the change in the mechanical stress in the piezoelectric elements.

In 19 sind die piezoelektrischen Glieder Q1 und Q2 wiederum die frequenzbestimmenden Elemente zweier Oszillatoren, die als Frequenzoszillator oder Laufzeitoszillator ausgebildet sein können. Die Datenübergabe durch die Auswertelogik kann seriell oder parallel, analog oder digital erfolgen.In 19 For example, the piezoelectric elements Q1 and Q2 are again the frequency-determining elements of two oscillators, which can be designed as frequency oscillators or time-of-flight oscillators. The data transfer by the evaluation logic can be serial or parallel, analog or digital.

Claims (26)

Längensensor zum Messen einer Längenänderung eines Bauteils (1) mit mindestens einem piezoelektrischen Element (2), das zwischen zwei beabstandeten, mit dem Bauteil (1) fest verbundenen Halteteilen (3, 4) so eingespannt ist, dass eine Längenänderung (Δl) des Bauteiles (1) eine Änderung einer mechanischen Spannung und dadurch eine Änderung einer elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elementes (2) bewirkt, und einer elektronischen Auswerteschaltung (10), die in Abhängigkeit von der Änderung der elektrischen Eigenschaft des piezoelektrischen Elementes (2) ein Messsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres piezoelektrisches Element (2a) zwischen den Halteteilen (3, 4) so eingespannt ist, dass eine Längenänderung (Δl) des Bauteils (1) gegensinnige Änderungen der mechanischen Spannungen und elektrischen Eigenschaften der beiden piezoelektrischen Elemente (2, 2a) bewirkt.Length sensor for measuring a change in length of a component ( 1 ) with at least one piezoelectric element ( 2 ) spaced between two, with the component ( 1 ) firmly connected holding parts ( 3 . 4 ) is clamped so that a change in length (.DELTA.l) of the component ( 1 ) a change of a mechanical stress and thereby a change of an electrical property of the piezoelectric element ( 2 ), and an electronic evaluation circuit ( 10 ) which depends on the change in the electrical property of the piezoelectric element ( 2 ) generates a measuring signal, characterized in that a further piezoelectric element ( 2a ) between the holding parts ( 3 . 4 ) is clamped so that a change in length (.DELTA.l) of the component ( 1 ) opposing changes in the mechanical stresses and electrical properties of the two piezoelectric elements ( 2 . 2a ) causes. Längensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2, 2a) durch die beiden Halteteile (3, 4) in Richtung quer zur Längenänderung (Δl) des Bauteils (1) so eingespannt ist, dass eine Längenänderung (Δl) des Bauteils (1) eine Änderung der Scherspannung des piezoelektrischen Elementes (2, 2a) bewirkt.Length sensor according to claim 1, characterized in that the piezoelectric element ( 2 . 2a ) through the two holding parts ( 3 . 4 ) in the direction transverse to the change in length (Δl) of the component ( 1 ) is clamped so that a change in length (.DELTA.l) of the component ( 1 ) a change in the shear stress of the piezoelectric element ( 2 . 2a ) causes. Längensensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Halteteile (3, 4) einer Druck vorspannung unterworfen wird, die doppelt so groß wie die im Betrieb zu erwartende maximale Zugspannung ist.Length sensor according to claim 1 or 2, characterized in that by the holding parts ( 3 . 4 ) is subjected to a pressure bias, which is twice as large as the expected during operation maximum tensile stress. Längensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Rohrkörper ist, der ein Hochdruckfluid enthält, so dass die zu messende Längenänderung (Δl) des Bauteils (1) durch eine Änderung des Hochdrucks verursacht ist, und dass die Auswerteschaltung (10) so ausgebildet ist, dass sie ein Hochdrucksignal als Messsignal liefert.Length sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the component ( 1 ) is a tubular body containing a high-pressure fluid, so that the length change to be measured (.DELTA.l) of the component ( 1 ) is caused by a change in the high pressure, and that the evaluation circuit ( 10 ) is designed so that it delivers a high pressure signal as a measurement signal. Längensensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper eine Verteilerschiene einer Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine ist.length sensor according to claim 4, characterized in that the tubular body a Distribution rail of a fuel injection system of an internal combustion engine is. Längensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) eine Welle oder ein anderer Körper ist und die Auswerteschaltung (10) ein Längensignal als Messsignal liefert.Length sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the component ( 1 ) is a wave or another body and the evaluation circuit ( 10 ) provides a length signal as a measurement signal. Längensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2, 2A) als das Bauteil (1) umgebender Ringkörper ausgebildet ist.Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 2 . 2A ) as the component ( 1 ) surrounding annular body is formed. Längensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2, 2A) als nur einseitig am Bauteil (1) angebrachter Körper ausgebildet ist.Length sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the piezoelectric element ( 2 . 2A ) as only one-sided on the component ( 1 ) attached body is formed. Längensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteteile (3, 4) an dem Bauteil (1) durch Schweißen oder Schrauben befestigt sind Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the holding parts ( 3 . 4 ) on the component ( 1 ) are fixed by welding or screws Längensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (2, 2a) zwei Elektroden (6, 7) hat, die mit der übrigen Auswerteschaltung (10) kontaktierend oder kontaktfrei verbunden sind.Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric element ( 2 . 2a ) two electrodes ( 6 . 7 ), with the other evaluation circuit ( 10 ) are contacted or contacted without contact. Längensensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (6, 7) quer zur Richtung (x) der Längenänderung (Δl) verlaufenden Flächen des piezoelektrischen Elementes (2, 2a) zugeordnet sind.Length sensor according to claim 10, characterized in that the electrodes ( 6 . 7 ) transverse to the direction (x) of the change in length (.DELTA.l) extending surfaces of the piezoelectric element ( 2 . 2a ) assigned. Längensensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (6, 7) parallel zur Richtung (x) der Längenänderung (Δl) verlaufenden Flächen des piezoelektrischen Elementes (2, 2a) zugeordnet sind.Length sensor according to claim 10, characterized in that the electrodes ( 6 . 7 ) parallel to the direction (x) of the change in length (.DELTA.l) extending surfaces of the piezoelectric element ( 2 . 2a ) assigned. Längensensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine (7) der beiden Elektroden (6, 7) gegenüber den Halteteilen (3, 4) isoliert ist und die andere Elektrode (6) an Masse liegt.Length sensor according to claim 12, characterized in that a ( 7 ) of the two electrodes ( 6 . 7 ) opposite the holding parts ( 3 . 4 ) is isolated and the other electrode ( 6 ) is grounded. Längensensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (6, 7) gegenüber den Halteteilen (3, 4) isoliert sind.Length sensor according to claim 12, characterized in that both electrodes ( 6 . 7 ) opposite the holding parts ( 3 . 4 ) are isolated. Längensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (10) zwei Oszillatorschaltungen aufweist, deren frequenzbestimmendes Element jeweils das piezoelektrische Element (2) ist.Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) has two oscillator circuits whose frequency-determining element in each case the piezoelectric element ( 2 ). Längensensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element als Longitudinal-, Transversal- oder Scherschwinger ausgebildet ist.Length sensor according to claim 15, characterized in that the piezoelectric element is designed as a longitudinal, transversal or shear oscillator. Längensensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (10) eine Frequenz, Periodendauer, Phasenverschiebung, Schwebungsfrequenz oder Pulsweitenmodulation eines das piezoelektrische Element (2, 2a) durchlaufenden elektrischen Signals zur Erzeugung des Messsignals verwendet.Length sensor according to claim 15 or 16, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) a frequency, period, phase shift, beat frequency or pulse width modulation of a piezoelectric element ( 2 . 2a ) continuous electrical signal used to generate the measurement signal. Längensensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal ein Mittelwert- oder Augenblickswertsignal ist.length sensor according to claim 17, characterized in that the measuring signal a Mean value or instantaneous value signal is. Längensensor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator Sinus- oder Rechtecksignale verarbeitet.length sensor according to claim 17 or 18, characterized in that the oscillator Sinusoidal or square wave signals processed. Längensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Halteteil (3, 4) zwei entgegengerichtete Abstützflächen (13a, b; 14a, b) hat, die paarweise einander so zugeordnet sind, dass jedes piezoelektrische Element (2, 2A) zwischen zwei entgegengerichteten Abstützflächen (13a, b; 14a, b) der beiden Halteteile (3, 4) eingespannt ist.Length sensor according to one of the preceding claims, characterized in that each holding part ( 3 . 4 ) two opposing support surfaces ( 13a , b; 14a , b) which are pairwise associated with each other so that each piezoelectric element ( 2 . 2A ) between two opposing support surfaces ( 13a , b; 14a , b) the two holding parts ( 3 . 4 ) is clamped. Längensensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden piezoelektrischen Elemente (2, 2a) in Richtung (x) der Längenänderung (Δl) beabstandet zueinander zugeordnet sind.Length sensor according to claim 20, characterized in that the two piezoelectric elements ( 2 . 2a ) in the direction (x) of the change in length (.DELTA.l) are spaced from each other. Längensensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden piezoelektrischen Elemente (2, 2a) quer zur Richtung (x) der Längenänderung (Δl) beabstandet zueinander angeordnet sind.Length sensor according to claim 20, characterized in that the two piezoelectric elements ( 2 . 2a ) are arranged transversely to the direction (x) of the change in length (.DELTA.l) spaced from each other. Längensensor nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (10) aus den die beiden piezoelektrischen Elemente (2, 2a) durchlaufenden Signalen ein Differenzsignal zwecks Erzeugung des Messsignals bildet.Length sensor according to one of claims 15 to 22, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) from which the two piezoelectric elements ( 2 . 2a ) continuous signals forms a differential signal for the purpose of generating the measurement signal. Längensensor nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (10) eine Brückenschaltung mit zwei Zweigen aufweist, die die beiden piezoelektrischen Elemente (2, 2a) enthalten, wobei die Auswerteschaltung (10) aus den die beiden piezoelektrischen Elemente (2, 2a) durchlaufenden Signalen ein Differenzsignal zwecks Erzeugung des Messsignals bildet.Length sensor according to one of claims 15 to 22, characterized in that the evaluation circuit ( 10 ) has a bridge circuit with two branches, the two piezoelectric elements ( 2 . 2a ), wherein the evaluation circuit ( 10 ) from which the two piezoelectric elements ( 2 . 2a ) continuous signals forms a differential signal for the purpose of generating the measurement signal. Längensensor nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzsignal durch einen Laufzeit- oder Phasenunterschied der beiden piezoelektrischen Elemente (2, 2a) durchlaufenden Signale gebildet ist.Length sensor according to claim 23 or 24, characterized in that the difference signal by a transit time or phase difference of the two piezoelectric elements ( 2 . 2a ) continuous signals is formed. Längensensor nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude, Frequenz oder Phase des Differenzsignals zur Bildung des Messsignals ausgewertet wird.length sensor according to one of the claims 23 to 25, characterized in that the amplitude, frequency or phase of the difference signal to form the measurement signal evaluated becomes.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107576565A (en) * 2017-08-02 2018-01-12 武汉理工大学 Ballastless track structure deformation method for real-time measurement based on piezoelectric ceramic technology

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10310114A1 (en) * 2003-03-06 2004-09-16 Robert Bosch Gmbh Device and method for hydrostatic pressure determination in a high pressure container by means of ultrasonic transit time measurement
EP1524422B1 (en) * 2003-10-16 2007-08-29 Wärtsilä Schweiz AG Process for monitoring cylinder pressure
FI118191B (en) 2003-12-18 2007-08-15 Waertsilae Finland Oy Apparatus for observing pressure
DE102011079983A1 (en) * 2011-07-28 2013-01-31 Robert Bosch Gmbh measuring device
CN103389056A (en) * 2013-08-12 2013-11-13 江苏华阳金属管件有限公司 Straight pipe calibration device
DE102015122296A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Sandvik Materials Technology Deutschland Gmbh Sensor for a high-pressure line and method for its production
CN111336910B (en) * 2018-11-02 2021-08-17 北部湾大学 Belt pressure sensor for belt feeding mechanism of plate-shaped workpiece hemming device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1930905A (en) * 1924-01-08 1933-10-17 Western Electric Co Piezo-electric apparatus
DE2201320A1 (en) * 1972-01-12 1973-07-19 Cav Ltd PRESSURE TRANSDUCER
DE2440493B2 (en) * 1973-08-30 1979-06-28 Ckd Praha, O.P., Prag Piezoelectric transducer for the internal overpressure of elastically deformable hollow bodies
US4430899A (en) * 1981-06-05 1984-02-14 Robert Bosch Gmbh Fluid pressure sensor, particularly diesel engine injection pump pressure sensor
US4597288A (en) * 1984-03-26 1986-07-01 Seiko Instruments & Electronics Ltd. Barometer
GB2178536A (en) * 1985-07-22 1987-02-11 Quartztronics Inc Resonant pressure transducer

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1930905A (en) * 1924-01-08 1933-10-17 Western Electric Co Piezo-electric apparatus
DE2201320A1 (en) * 1972-01-12 1973-07-19 Cav Ltd PRESSURE TRANSDUCER
DE2440493B2 (en) * 1973-08-30 1979-06-28 Ckd Praha, O.P., Prag Piezoelectric transducer for the internal overpressure of elastically deformable hollow bodies
US4430899A (en) * 1981-06-05 1984-02-14 Robert Bosch Gmbh Fluid pressure sensor, particularly diesel engine injection pump pressure sensor
US4597288A (en) * 1984-03-26 1986-07-01 Seiko Instruments & Electronics Ltd. Barometer
GB2178536A (en) * 1985-07-22 1987-02-11 Quartztronics Inc Resonant pressure transducer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Cavalloni, C., Engeler, P., Schaffner, G.: Dehnungsmessung im Inneren von Strukturen mit piezoelektrischen Sensoren. In Messen und Prüfen, April 1991 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107576565A (en) * 2017-08-02 2018-01-12 武汉理工大学 Ballastless track structure deformation method for real-time measurement based on piezoelectric ceramic technology

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