DE10023838C2 - Vorrichtung zum Messen einer Wegänderung zwischen Abschnitten eines Bauteils und Verwendung dieser Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Weg­ änderung zwischen Abschnitten eines Bauteils, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus DE 694 07 829 T2 bekannt, und die Verwendung dieser Vorrichtung gemäß Patentanspruch 24.

Die auf das Bauteil wirkenden Kräfte können durch einen im Inneren des Bauteils herrschenden Fluiddruck hervorgerufen sein, so daß die Vorrichtung auch zum Messen des im Inneren des Bauteils herrschenden Drucks verwendet werden kann.

Bei derartigen Vorrichtungen, deren messendes Sensorteil aus einem Material eines kleinen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten besteht, tritt die Schwierigkeit auf, daß das Sensor­ teil und das aus Metall bestehende Bauteil kraftschlüssig miteinander verbunden werden müssen, um die zu messende Weg­ änderung auf das Sensorteil zu übertragen. Dies führt zu be­ trächtlichen mechanischen Spannungen zwischen dem Bauteil und dem Sensorteil, was insbesondere bei hohen Lastspielzahlen Dauerbrüche hervorrufen kann.

Zum Messen sehr hoher Drücke bis etwa 3000 bar Berstdruck, wie sie z. B. in der Verteilerschiene (Common Rail) der Kraft­ stoffeinspritzanlage einer Diesel-Brennkraftmaschine auftre­ ten, sind beispielsweise Hochdrucksensoren bekannt geworden, bei denen die Wölbung einer dem Druck unmittelbar ausgesetz­ ten metallischen Membran mittels Dehnungsmeßstreifen erfaßt und hieraus z. B. in einer Brückenschaltung ein Drucksignal gebildet wird. Bei diesen Hochdrucksensoren tritt ebenfalls das oben beschriebene Problem der Haftung zwischen der metal­ lischen Membran und den Dehnungsmeßstreifen auf.

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 Lastschalt­ spiele aushalten. Damit sich die Kennlinie des Hochdrucksensors nicht ändert, muß er so ausgelegt werden, daß die betei­ ligten Materialien im Betrieb nicht über den Hook'schen Be­ reich hinaus belastet werden. Das Verhältnis von Membrandicke zum Membrandurchmesser ist somit an die Eigenschaften der be­ teiligten Materialien gebunden und kann daher ein vorgegebe­ nes materialbedingtes Verhältnis nicht überschreiten. Dies begrenzt die Meßempfindlichkeit.

Aus der eingangs genannten DE 694 07 829 T2 ist eine Vorrichtung zum Messen ei­ ner Wegänderung zwischen Abschnitten eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei dieser Vor­ richtung besteht der dünne flexible Träger aus einer Platte, und der Sensorteil besteht aus einem auf der Platte befestig­ ten Dehnungsmessstreifen. Die Platte, die beispielsweise aus einer dünnen Stahlplatte besteht, ist mit dem Bauteil über Verbindungselemente wie z. B. Schrauben, Stiften, Zungen oder Zapfen sowie Koppelmittel wie z. B. Klebstoff, Lötstellen oder Einspannmittel verbunden. Bei dieser Vorrichtung werden die zu messenden Kräfte zumindest teilweise über die Verbindungs- und Koppelmittel auf die Platte (Stahlplatte) übertragen, was ebenfalls zu gewissen Spannungen zwischen dem Bauteil und dem messenden Sensorteil führen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen einer Wegänderung zwischen Abschnitten eines metallischen Bauteils der eingangs angegebenen Gattung so weiterzubilden, dass durch eine Wegänderung bedingte Span­ nungen zwischen dem Bauteil und dem messenden Sensorteil wei­ testgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht der Träger aus einer Folie aus Silizium, Quarz oder einem anderen glasartigen oder keramischen Werkstoff, wobei die Folie sehr dünn ist, d. h. eine Dicke von 10 bis 200 µm hat. Die Folie ist mit den betreffenden Abschnitten des Bauteils so verbunden, dass ein freiliegender Bereich der Folie durch die zu messende Wegän­ derung eine elastische Verformung erfährt, ohne den auf das Bauteil wirkenden Kräften direkt oder indirekt ausgesetzt zu sein. "Indirekt" ist sie diesen Kräften insofern nicht ausge­ setzt, als die zum Verformen der Folie erforderlichen Kräfte im Vergleich zu den zum Verformen des Bauteils erforderlichen Kräften vernachlässigbar klein sind.

Da der Sensor nicht den auf das Bauteil wirkenden Kräften ausgesetzt ist, sondern allein durch die zu messende Wegände­ rung verformt wird, treten an den Verbindungsstellen zwischen dem Sensor und dem Bauteil keine durch die Wegänderung be­ dingten mechanischen Spannungen auf. Die eingangs geschilder­ ten Haftungsprobleme zwischen Sensor und metallischem Bauteil werden dadurch vermieden. Die Verbindung zwischen dem Sensor und dem Bauteil kann so gestaltet werden, dass eine relativ kleine Wegänderung eine relativ große elastische Verformung des Sensors bewirkt. Dies schlägt sich in einer entsprechend hohen Meßempfindlichkeit nieder.

Die zu messende Wegänderung kann eine Abstands- und/oder Win­ keländerung und/oder eine Parallelverschiebung zwischen den Abschnitten des Bauteils sein. Hierbei ist der Sensor mit den Abschnitten des Bauteils so verbunden sein, daß die elasti­ sche Verformung eine Biegung und/oder Wölbung und/oder Scher­ bewegung und/oder Streckung des freiliegenden Bereichs des Sensors ist.

Die elastische Verformung der Folie läßt sich durch eine pie­ zoelektrische, resistive, kapazitive, induktive, magnetische, optische, Laufzeit- oder ähnliche Messung erfassen, um das Meßsignal zu erzeugen. Als Auswerteschaltungen kommen her­ kömmliche Meßschaltungen wie Meßbrücken, Halbbrücken, Span­ nungssummierschaltungen, Kurzschlußstrom-Meßschaltungen usw. in Frage.

Ist das Bauteil ein ein Hochdruckfluid enthaltender Rohrkör­ per, bei dem sich Wegänderungen aufgrund von Änderungen des Hochdrucks ergeben, so kann die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung als Hochdruckmeßvorrichtung verwendet werden. Da der Sensor dem Fluiddruck nicht ausgesetzt ist, treten weder Haftungsprobleme noch Abdichtungsprobleme auf. Darüber hinaus kann eine entsprechend ausgebildete Vorrichtung eine extrem hohe Anzahl von Lastschaltspielen (bis zum 10¹⁰) aushalten, und sie ist auch zum Erfassen sehr großer Drücke (z. B. zwi­ schen 2000 und 3000 bar) ohne weiteres geeignet. Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung läßt sich daher bei­ spielsweise zum Messen des Fluiddrucks in einer Verteiler­ schiene einer Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftma­ schine verwenden.

Zusätzlich zu den oben geschilderten Vorteilen zeichnet sich die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung durch eine große Gestaltungsvielfalt aus. Außerdem lassen sich bei ihr bekann­ te und bewährte Meßprinzipien mit entsprechend einfach ge­ stalteten Auswerteschaltungen verwenden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1, in schematischer Weise, Abschnitte eines Bau­ teils mit einer Folie zum Erfassen einer Wegänderung zwischen diesen Abschnitten;

Fig. 2-4 schematische Darstellungen einer Folie zum Er­ fassen unterschiedlich gearteter Wegänderungen;

Fig. 5, 6 schematische Darstellungen eines Sensors einer Wegmeßvorrichtung;

Fig. 7, 8 zwei Ausführungsbeispiele einer Auswerteschal­ tung für die Sensoren der Fig. 5 und 6;

Fig. 9, 10 ein Bauteil mit einem Sensor in unterschiedli­ chen Betriebszuständen;

Fig. 11 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungs­ form eines Sensors;

Fig. 12 eine Draufsicht auf den Sensor in Fig. 11;

Fig. 13, 14 schematische Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform eines Sensors in unterschiedlichen Betriebs­ zuständen;

Fig. 15 eine Draufsicht auf den Sensor der Fig. 13, 14;

Fig. 16, 17 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Sensors in unterschiedlichen Betriebszuständen;

Fig. 18 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Sensors in Fig. 16, 17;

Fig. 19, 20 schematische Schnittdarstellungen einer weite­ ren Ausführungsform eines Sensors in unterschiedlichen Be­ triebszuständen;

Fig. 21-23 weitere Ausführungsformen einer Auswerteschal­ tung.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Bauteils 1 mit zwei Abschnitten 1a und 1b dargestellt. Auf das Bauteil 1 wirken Kräfte, im dargestellten Ausführungsbeispiel Druckkräfte P, die eine Verformung des Bauteils 1 und dadurch eine entsprechende Weg­ änderung zwischen den Abschnitten 1a und 1b hervorrufen. Die­ se Wegänderung soll durch die noch zu beschreibende Wegmeß­ vorrichtung gemessen werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Wegänderung eine Winkel- und Abstandsänderung zwischen den Abschnitten 1a und 1b, wie durch die Pfeile S schematisch angedeutet ist. Statt dessen kann die Wegänderung jedoch auch eine Parallel­ verschiebung (Fig. 2) oder ein reine Abstandsänderung (Fig. 3) zwischen den Abschnitten 1a und 1b sein.

Das Bauteil 1 besteht aus einem Material eines großen Ausdeh­ nungskoeffizienten, insbesondere aus Metall wie z. B. Stahl, Aluminium, Kupfer od. dgl. Das in Fig. 1 schematisch angedeu­ tete Bauteil 1 ist beispielsweise die Stirnwand eines ge­ schlossenen Rohrkörpers, der mit einem Hochdruckfluid gefüllt ist. Die hieraus resultierenden Druckkräfte P bewirken dann eine Wölbung des Bauteils 1, was eine entsprechende Wegände­ rung der Abschnitte 1a und 1b zur Folge hat. Das Bauteil 1 könnte somit die metallische Membran einer Hochdruckmeßvor­ richtung oder ein anderer Teil einer Verteilerschiene (Common Rail) der Kraftstoffeinspritzanlage einer Dieselbrennkraftma­ schine (nicht gezeigt) sein, in der ein Druck von z. B. 2000 bar bis 3000 bar herrschen kann.

Es versteht sich jedoch, daß die Verformung des Bauteils 1 und die dadurch hervorgerufene zu messende Wegänderung zwi­ schen den Abschnitten 1a und 1b durch irgendwelche anderen Kräfte wie z. B. temperaturbedingte Verformungskräfte, von au­ ßen angreifende Lastkräfte usw. verursacht sein könnten.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist zum Messen der Wegänderung zwi­ schen den Abschnitten 1a und 1b eine Folie F vorgesehen. Die Folie F ist in den Figuren übertrieben dick dargestellt. Tat­ sächlich handelt es sich um eine sehr dünne Folie von bei­ spielsweise 70 µm Dicke. Die Folie besteht beispielsweise aus Silizium, Quarz oder einem glasartigen oder keramischen Werk­ stoff. Derartige Folien haben einen sehr niedrigen Ausdeh­ nungskoeffizienten bei Temperatur, sind jedoch sehr flexibel, so daß sie sich ähnlich wie Papier verformen, insbesondere rollen und biegen lassen.

In Fig. 1 ist die Folie F an ihren Rändern durch metallische Spannbacken 3 und Befestigungselemente 4 an dem Bauteil 1 so festgespannt, daß ein freiliegender Bereich der Folie F sich ungehindert verformen kann. Die Abmessungen der Folie F und ihre Verbindung mit dem Bauteil 1 werden so gewählt, daß der freiliegende Bereich der Folie F bereits bei einer relativ kleinen Wegänderung zwischen den Abschnitten 1a und 1b eine relativ große elastische Verformung erfährt.

Wichtig hierbei ist, daß die Folie F den auf das Bauteil 1 einwirkenden Kräften (den Druckkräften P) weder direkt noch indirekt ausgesetzt ist. Die Verformung der Folie F erfolgt vielmehr ausschließlich durch die zu messende Wegänderung zwischen den Abschnitten 1a und 1b des Bauteils 1.

In den Fig. 1 bis 3 ist die Folie F beidseitig zwischen dem Bauteil 1 und den Spannbacken 3 eingespannt. Statt dessen kann die Folie F auch einseitig durch Kleben, Löten, Bonden oder Legieren am Bauteil 1 befestigt werden, wie durch eine Haftschicht 5 in Fig. 4 schematisch angedeutet ist.

Die elastische Verformung der Folie F kann eine Biegung bzw. Wölbung (Fig. 1, 4) oder eine Scherbewegung (Fig. 2) mit Be­ reichen entgegengesetzter Durchbiegung oder auch eine reine Streckung (Fig. 3) sein. In jedem Fall wird diese elastische Verformung meßtechnisch erfaßt und zum Erzeugen eines die Wegänderung darstellenden Meßsignals verwendet, wie im fol­ genden genauer erläutert wird.

Es wird nun auch auf die übrigen Figuren und zunächst auf die Fig. 5 bis 8 Bezug genommen. Allgemein gesprochen, bildet die Folie F Teil eines Sensors 2, dessen elastische Verfor­ mung durch irgendein bekanntes Meßprinzip wie z. B. ein piezo­ elektrisches, resistives, kapazitives, induktives, magneti­ sches, optisches oder Laufzeit-Meßprinzip erfaßt wird. An dieser Stelle sei erwähnt, daß das als Folie F bezeichnete Teil platten- bzw. scheibenförmig, bandförmig oder aber auch filamentförmig ausgebildet sein kann.

Der Sensor 2 besteht, allgemein gesprochen, aus einem Träger 6 (der Folie F) und einem Sensorteil 7. In Fig. 5, in der entsprechend Fig. 2 eine Parallelverschiebung zwischen den Abschnitten 1a und 1b des Bauteils 1 gemessen werden soll, besteht der Sensorteil 7 aus vier Sensorelementen 8. Fig. 5 zeigt beispielsweise den Ruhezustand des Sensors 2, in dem die Folie F bereits verformt montiert ist, und zwar verformt um die Wegänderung ΔS. Die Sensorelemente 8 sind hierbei an der Oberseite und Unterseite der Folie F an Stellen angeord­ net, die bei einer Parallelverschiebung der Abschnitte 1a und 1b einer starken Verformung unterliegen. Wie in Fig. 2 ange­ deutet, wird die Folie F bei einer Parallelverschiebung der Abschnitte 1a, 1b in Richtung des Pfeils S so verformt, daß es an der Oberseite und Unterseite der Folie F zu Dehnungen (Zugspannungszonen Z) und Stauchungen (Druckspannungszonen D) kommt, während ein gestrichelt angedeuteter mittlerer Bereich eine neutrale Zone N bildet, in der weder eine Dehnung noch eine Stauchung erfolgt. Die Sensorelemente 8 werden in den Druckspannungszonen D und Zugspannungszonen Z angeordnet, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

Die Sensorelemente 8 sind beispielsweise Kondensatoren, deren Kapazität bei einer elastischen Verformung der Folie F in po­ sitiver und negativer Richtung verändert werden. Dies läßt sich in einer elektrischen Auswerteschaltung 9 (Fig. 7) aus­ werten, die beispielsweise als herkömmliche Brückenschaltung mit einer Spannungsquelle 10, den vier Sensorelementen 8 und einem als Differenzverstärker geschalteten Operationsverstär­ ker 11 ausgebildet ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch sehr geringe störende Nebeneffekte und eine hohe Sig­ nalausbeute aus.

Eine abgewandelte Ausführungsform des Sensors 2 zeigt die Fig. 6, in der nur auf einer Seite der Folie F zwei Sensorele­ mente 8 angeordnet sind. Die Sensorelemente 8 können Teil einer Halbbrückenschaltung bilden, die, wie in Fig. 8 gezeigt, aus der Spannungsquelle 10, den beiden Sensorelementen 8, zwei Wi­ derständen 12 und dem Operationsverstärker 11 besteht.

Die Ausführungsform der Fig. 5, 7 ermöglicht einen gerin­ geren Aufwand der Auswerteschaltung, erfordert jedoch einen größeren Aufwand für den Sensor, während bei der Ausführungs­ form der Fig. 6 der Aufwand für die Auswerteschaltung größer und der Aufwand für den Sensor kleiner ist.

Bei dem in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsbei­ spiel besteht der Sensor 2 aus einem Träger 6 in Form einer rotationssymmetrischen Folie F, die einerseits am Umfang und andererseits in der Mitte durch Spannbacken 3 an den Ab­ schnitten 1a und 1b des Bauteils 1 festgespannt ist. Das Bau­ teil 1 kann, wie in Fig. 1, eine Wand eines ein Hochdruckflu­ id enthaltenden Rohrkörpers bzw. die Membran einer Hochdruck­ meßvorrichtung sein, an welcher der zentrale Bereich der Fo­ lie F festgespannt ist. Die Anordnung kann hierbei so getrof­ fen werden, daß die Folie F im Ruhezustand (Fig. 9) relativ stark verformt ist, während sie bei sich wölbendem Boden des Bauteils 1 (Fig. 10) wieder flacher wird.

Der Sensorteil 7 des Sensors 2 besteht aus an der Ober- und Unterseite der Folie F angebrachten ringförmigen Sensorele­ menten 8, die die Verformung der Folie erfassen. Die Folie F kann beispielsweise aus einem piezoelektrischen Material wie Quarz bestehen, und die Sensorelemente 8 können als Elektro­ den ausgebildet sein. Mit Hilfe der Elektroden kann dann das piezoelektrische Material der Folie F zu elektrischen Schwin­ gungen angeregt werden, deren Frequenz sich mit der elasti­ schen Verformung der Folie F ändert. Diese Frequenzänderung kann dann wiederum in einer elektrischen Auswerteschaltung 9, wie sie beispielsweise in Fig. 8 gezeigt ist, zum Erzeugen eines Meßsignales verwendet werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 9, 10 besteht somit der Träger 6 (die Folie F) selbst aus einem Sensormaterial mit einer piezoelektrischen Eigenschaft (oder auch einer an­ deren meßtechnisch erfaßbaren elektrischen oder magnetischen oder optischen Eigenschaft), die durch die elastische Verfor­ mung der Folie F eine Änderung erfährt, welche von dem Sen­ sorteil 7 zum Erzeugen des Meßsignals erfaßt wird. Dagegen kann bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 der Trä­ ger 6 (die Folie F) aus einem reinen Trägermaterial bestehen, dessen elastische Verformung von dem Sensorteil 7 direkt er­ faßt und zum Erzeugen des Meßsignals verwendet wird.

Die Folie F kann auch eine unregelmäßige Oberflächenstruktur haben, deren Geometrie durch die elastische Verformung der Folie F eine Änderung erfährt, welche von dem Sensorteil er­ faßt und zum Erzeugen des Meßsignals verwendet wird. Ein Bei­ spiel hierfür zeigen die Fig. 11 und 12, in denen die eine Seite der Folie F mit keilförmigen Spalten 13 versehen ist. Der Sensorteil 7 besteht aus Sensorelementen in Form von bei­ spielsweise Kondensatorplatten 14, die in den keilförmigen Spalten angeordnet sind. Bei einer elastischen Verformung (Wölbung oder Biegung) der Folie F ändert sich die Größe der Spalte 13, was eine entsprechende Änderung der Kapazität des von den Kondensatorplatten 14 gebildeten Kondensators verur­ sacht. Wie in Fig. 12 gezeigt, sind die gegenüberliegenden Kondensatorplatten 14 der Spalte 13 jeweils auf einer Seite untereinander verbunden und dann an einer geeigneten elektri­ schen Auswerteschaltung 9 (z. B. Fig. 8) angeschlossen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 13 bis 15 besteht der Sensor 2 wiederum aus einem Träger 6 in Form einer Folie F, während der Sensorteil 7 aus mehreren (beispielsweise drei) auf der Folie F aufgebrachten dünnen Sensorschichten 15 be­ steht. Die Sensorschichten 15 bestehen beispielsweise aus ei­ nem magnetisch leitenden Material, während die Folie F aus einem unmagnetischen Material besteht. Die magnetisch leiten­ den Sensorschichten 15 werden von Quellen 16 mit einem magne­ tischen Fluß beaufschlagt, der von Senken 17 in Form von Hallelementen in Hallspannungen umgewandelt wird. In den Sen­ sorschichten 15 ist ein Luftspalt 19 vorgesehen, dessen Größe sich mit einer elastischen Verformung der Folie F ändert. Dies bedingt eine entsprechende Änderung des magnetischen Flusses, welche eine entsprechende Änderung der Hallspannungen der Hallelemente hervorruft, was von einer Auswerteschal­ tung zum Erzeugen eines Meßsignales verwendet wird.

Fig. 13 zeigt den Zustand maximaler Wölbung der Folie F, bei dem der Luftspalt 19 am kleinsten ist, so daß der magnetische Fluß wie auch die Hallspannung an den Hallelementen maximal sind. In Fig. 14 ist die Folie F praktisch eben, so daß der Luftspalt 19 am größten ist. Der magnetische Fluß und die Hallspannung der Hallelemente sind dann minimal.

Wie in Fig. 15 angedeutet, können die Sensorschichten 15 aus einzelnen bandförmigen Schichtelementen zusammengesetzt sein, die nicht nur senkrecht zur Oberseite der Folie F übereinan­ der, sondern auch parallel zur Oberseite der Folie F neben­ einander angeordnet werden können. Der magnetische Fluß kann daher von Schichtelement zu Schichtelement unterschiedlich groß gewählt werden, was sich zum Erzielen einer veränderli­ chen Kennlinie des Meßsignals ausnutzen läßt.

Statt magnetischer Sensorschichten können auch andere Schich­ ten, beispielsweise optisch oder elektrisch leitende Schich­ ten, verwendet werden. Ein Beispiel hierfür zeigen die Fig. 16 bis 18, in denen der vom Träger 6 (Folie F) getragene Sensorteil 7 aus einer optisch leitenden Sensorschicht 15 be­ steht.

Wie in den Fig. 16 und 17 dargestellt, sind die an der O­ berseite der Folie F angeordneten Schichtelemente 20 der Sen­ sorschicht 15 jeweils in zwei Schichtabschnitte 20a und 20b unterteilt, die durch einen Zwischenraum 21 voneinander ge­ trennt sind. Die Sensorschicht 15 wird von Quellen 16 (zum Beispiel LED) mit einem Lichtfluß beaufschlagt, der von Sen­ ken 17 (z. B. Photodiode) empfangen wird. In der in Fig. 16 dargestellten Ruhelage gelangt im wesentlichen der gesamte von den Quellen 16 emittierte Lichtfluß zu den Senken 17. Wenn die Folie F aufgrund einer zu messenden Wegänderung, wie in Fig. 17 gezeigt, gebogen oder gewölbt wird, gelangt nur ein Teil des aus einem Schichtabschnitt 20a austretenden Lichtflusses in den zugehörigen Schichtabschnitt 20b und so­ mit zur Senke 17. Dieser Anteil ist von der Krümmung der Fo­ lie F und damit von der zu messenden Wegänderung abhängig, und seine Änderung wird von einer geeigneten Auswerteschal­ tung (z. B. gemäß Fig. 8) zum Erzeugen eines Meßsignals ver­ wendet.

Um eine Brückenschaltung (z. B. gemäß Fig. 7) aufzubauen, wird die Folie F auch an der Unterseite mit einer Sensorschicht aus Schichtelementen 20 mit Schichtabschnitten 20a und 20b versehen. Diese Schichtabschnitte 20a, 20b sind auf unter­ schiedlicher Höhe angeordnet, und zwar versetzt um die Dicke der Sensorschicht. Im Ruhezustand (Fig. 16) gelangt dann kein oder nur ein geringer Lichtfluß zu den Senken 17, während bei zunehmender Wölbung der Folie F der zu den Senken 17 gelan­ gende Lichtfluß größer wird. Die von den oberen und unteren Senken 17 empfangenen Lichtflüsse ändern sich somit bei einer Änderung der elastischen Verformung der Folie F gegensinnig, was in einer Brückenschaltung zur Kompensation von Störein­ flüssen ausgenutzt werden kann.

Wie in Fig. 18 dargestellt, ist die Sensorschicht 15 wieder aus einzelnen Schichtelementen 20 (mit Schichtabschnitten 20a und 20b) zusammengesetzt, wobei sich die Anzahl der nebenein­ ander und übereinander angeordneten Schichtelemente 20 belie­ big variieren läßt. Bei der in Fig. 18 dargestellten Anord­ nung wird ein immer größer werdender Anteil des aus den Schichtabschnitten 20a austretenden Lichtflusses in die emp­ fangenden Schichtabschnitte 20b eingekoppelt, wenn die Folie F nach oben gebogen wird, und umgekehrt. Auf diese Weise läßt sich die Kennlinie des Meßsignals in weiten Grenzen gestal­ ten.

Es versteht sich, daß ein derartiger Sensor nicht nur mit ei­ nem Lichtfluß, sondern auch mit einem magnetischen, elektri­ schen oder anderen geeigneten Fluß betrieben werden kann. Die Schichtelemente sind, wie in Fig. 18 angedeutet, bandförmig ausgebildet; sie können jedoch auch filamentförmig, z. B. in Form von Lichtleitfasern, ausgebildet werden.

Der in den Fig. 19 und 20 dargestellte Sensor 2 entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem in den Fig. 16 bis 18 dargestellten Sensor. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 19, 20 besteht wieder die auf der Folie F aufgebrachte Sen­ sorschicht aus übereinander und nebeneinander angeordneten Schichtelementen 20 mit Schichtabschnitten 20a, 20b, die durch einen Zwischenraum 21 voneinander getrennt sind. Die Schichtelemente 20 bestehen aus einem optischen Material wie z. B. Glas und werden - wieder über Quellen 16 und Senken 17 - mit Lichtflüssen beaufschlagt. Die empfangenden Schichtab­ schnitte 20b sind mit einer Einfallfläche 22 versehen, auf die die Lichtflüsse auftreffen, wobei sich der Einfallwinkel der Einfallfläche 22 der einzelnen Schichtabschnitte 20b bei einer elastischen Verformung (Durchbiegung) der Folie F än­ dert. Je nach Einfallwinkel der Einfallfläche 22 wird ein entsprechend veränderlicher Anteil des einfallenden Licht­ flusses von der Einfallfläche 22 reflektiert, so daß ein ge­ gensinnig veränderlicher Anteil des Lichtflusses in die emp­ fangenden Schichtabschnitte 20b und zu den Senken 17 gelangt. Verläuft die Einfallfläche 22 senkrecht zu den einfallenden Lichtflüssen (Fig. 20), ist der von den Senken 17 empfangene Lichtfluß maximal. Bei größer werdender Abweichung der Ein­ fallfläche 22 von dieser Lage (Fig. 19) nimmt der zu den Sen­ ken 17 gelangende Lichtfluß ab. Die Anordnung kann hierbei wieder so getroffen werden, daß die Anteile der von den ein­ zelnen Schichtabschnitten 20b empfangenen Lichtflüsse sowohl senkrecht zur Oberfläche der Folie wie auch in seitlicher Richtung unterschiedlich sind, um die Kennlinie des Meß­ signals entsprechend zu gestalten.

Wie bereits erwähnt, sind die bei den verschiedenen Ausfüh­ rungsbeispielen verwendeten Folien F sehr dünn. Ihre Dicke hängt von dem Material und verwendeten Sensorteil (Sensorelemente, Sensorschichten) ab. So liegt die Dicke von Folien F aus keramischen Werkstoffen in der Größenordnung von 50 bis 200 µm. Bei Folien mit Sensorschichten, z. B. magnetischen Sensorschichten, kann die Dicke noch wesentlich geringer sein und beispielsweise in der Größenordnung von 20 µm liegen. Die Dicke der Sensorschichten (Ausführungsbeispiele der Fig. 13 bis 20) bewegt sich in ähnlicher Größenordnung wie die Di­ cke der Trägerfolien. So beträgt beispielsweise die Dicke magnetischer Sensorschichten 5 bis 20 µm. Im Fall von opti­ schen Sensorschichten (Glasfaserbeschichtungen) liegt die Di­ cke im Bereich von 100 bis 200 µm, wobei der das Licht über­ tragende Kern der Glasfasern einen Durchmesser von 1 bis 2 µm hat.

Beispiele elektrischer Auswerteschaltungen 9, wie sie bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 13 bis 20 verwendet werden können, zeigen die Fig. 21 bis 23. Bei der in Fig. 21 ge­ zeigten Reihenschaltung der Senken 17 (z. B. Hallelemente, Photodioden oder dgl.) werden die Spannungen addiert und an einem Spannungsmesser 23 als Meßsignal abgenommen. Bei der Auswerteschaltung 9 der Fig. 22, die um eine Verstärker­ schaltung mit Operationsverstärker 11 und zwischen die Senken 17 und den Operationsverstärker 11 geschaltete Widerstände 12 ergänzt ist, wird das Meßsignal wiederum durch eine Addition der an den Senken 17 anliegenden Spannungen erhalten. Bei der Auswerteschaltung 9 der Fig. 23, bei der die Senken 17 pa­ rallel geschaltet und mit einer Verstärkerschaltung (Operati­ onsverstärker 11, Widerstand 12) verbunden sind, wird das Meßsignal durch eine Addition der die Senken 17 durchfließen­ den Ströme (also durch eine Messung des Kurzschlußstroms) er­ halten. Da derartige Auswerteschaltungen bekannt sind und in beliebiger Vielzahl und Abwandlung zur Verfügung stehen, ist eine weitere Beschreibung derartiger Auswerteschaltungen nicht erforderlich.

Das von der Auswerteschaltung gelieferte Meßsignal ist ein Wegsignal. Wie bereits erwähnt, kann jedoch die Wegmeßvorrichtung auch als Druckmeßvorrichtung verwendet werden, wenn die zu messende Wegänderung aus einer entsprechenden Hoch­ druckänderung resultiert. In diesem Fall müßte die Auswerte­ schaltung so ausgebildet werden, daß sie das Wegsignal in ein Hochdrucksignal umformt.

Claims (25)

1. Vorrichtung zum Messen einer Wegänderung zwischen Ab­ schnitten (1a, b) eines Bauteils (1), welche Wegänderung durch auf das Bauteil (1) wirkende Kräfte verursacht wird, mit
einem dünnen flächigen Sensor (2), der mit den Abschnit­ ten (1a, b) des Bauteils so verbunden ist, dass ein freilie­ gender Bereich des Sensors (2) durch die zu messende Wegände­ rung eine durch eine Biegung und/oder Wölbung und/oder Scher­ bewegung hervorgerufene elastische Verformung erfährt, ohne den auf das Bauteil (1) wirkenden Kräften direkt oder indi­ rekt ausgesetzt zu sein,
wobei der Sensor (2) einen dünnen flexiblen Träger (6) und einen Sensorteil (7) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der dünne flexible Träger (6) aus einer Folie (F) aus Silizium, Quarz oder einem anderen glasartigen oder keramischen Werkstoff be­ steht und eine Dicke von 10 bis 200 µm hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Wegänderung als Abstands- und/oder Winkeländerung und/oder Parallelverschiebung zwischen den Abschnitten (1a, b) des Bauteils (1) erfasst wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) an den Abschnitten (1a, b) des Bauteils (1) beidseitig festgespannt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) an den Abschnitten (1a, b) des Bauteils (1) durch Kleben, Löten, Bonden, Legieren oder eine andere Haftung einseitig befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) an seinem Umfang und an einer zentralen Stelle mit den Abschnitten (1a, b) des Bauteils (1) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elas­ tische Verformung des Sensors (2) durch ein piezoelektri­ sches, resistives, kapazitives, induktives, magnetisches, op­ tisches oder Laufzeit-Messprinzip erfasst wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (F) aus einem Material mit einer elektrischen oder piezo­ elektrischen oder magnetischen oder optischen Eigenschaft be­ steht, die durch die elastische Verformung eine Änderung er­ fährt, welche von dem Sensorteil (7) zum Erzeugen des Mess­ signals verwendet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sen­ sorteil (7) so ausgebildet ist, dass er die elastische Ver­ formung der Folie (F) direkt erfasst und zum Erzeugen des Messsignals verwendet.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sen­ sorteil (7) ein oder mehrere Sensorelemente (8) aufweist, die an Stellen starker Verformung der Folie (F) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sen­ sorteil (7) zwei auf einer Seite der Folie (F) liegende Sen­ sorelemente (8) aufweist, von denen das eine in einer Druck­ spannungszone (D) und das andere in einer Zugspannungszone (Z) der Folie (F) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der einen Seite gegenüberliegenden Seite der Folie (F) zwei weitere Sensorelemente (8) vorgesehen sind, von denen das eine in einer Druckspannungszone (D) und das andere in einer Zugspannungszone (Z) der Folie (F) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (F) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und der Sensorteil (7) zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Folie (F) angeord­ nete ringförmige Sensorelemente (8) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (F) eine Reihe von Spalten (13) aufweist, deren Größe durch die elastische Verformung eine Änderung erfährt, welche zum Erzeugen des Messsignals verwendet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Sen­ sorteil (7) aus in den Spalten (13) angeordneten Sensorele­ menten (8) besteht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sen­ sorteil (7) mindestens eine auf der Folie (F) aufgebrachte Sensorschicht (15) aus einem messempfindlichen Material auf­ weist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen­ sorschicht (15) mit einem elektrischen oder magnetischen oder optischen Fluss beaufschlagt wird und so ausgebildet ist, dass die elastische Verformung eine Flussänderung bewirkt, die zum Erzeugen des Messsignals verwendet wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen­ sorschicht (15) mehrere quer zur Flussrichtung nebeneinander und/oder quer zur Folie (F) übereinander angeordnete band- oder filamentförmige Schichtelemente (20) aufweist, die unab­ hängig voneinander mit dem Fluss beaufschlagt werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass über meh­ reren nebeneinanderliegenden Schichtelementen (20) eine quer zur Flussrichtung unterschiedliche Anzahl von entsprechenden Schichtelementen (20) angeordnet ist, um eine quer zur Flussrichtung unterschiedliche Flussänderung und dadurch eine einstellbare Kennlinie des Messsignals zu erzielen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen­ sorschicht (15) mindestens einen Spalt (Luftspalt 19) aufweist, dessen Größe durch die elastische Verformung sich ändert und dadurch eine entsprechende Flussänderung bewirkt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schichtelement (20) mindestens zwei durch einen Zwischenraum (21) getrennte Schichtabschnitte (20a, b) aufweist, von denen der eine Schichtabschnitt (20a) den Fluss abgibt und der andere Schichtabschnitt (20b) einen in Abhängigkeit von der elastischen Verformung unterschiedlichen Anteil des Flusses empfängt, um eine entsprechende Flussände­ rung zu erzielen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichtabschnitte (20a, b) auf gleicher oder unterschiedli­ cher Höhe quer zur Folie (F) angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung von mindestens einem Schichtelement auf jeder Seite der Folie (F) die beiden Schichtabschnitte (20a, b) des auf einer Seite angeordneten Schichtelementes (20) auf gleicher Höhe und die beiden Schichtabschnitte (20a, b) des auf der anderen Seite angeordneten Schichtelementes (20) auf unter­ schiedlicher Höhe angeordnet sind, so dass sich die auf den gegenüberliegenden Seiten der Folie (F) empfangenen Anteile des Flusses bei einer elastischen Verformung der Folie (F) gegensinnig ändern.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der den Fluss empfangende Schichtabschnitt (20b) eine Einfallfläche (22) hat, deren Einfallwinkel sich durch die elastische Ver­ formung ändert, so dass ein unterschiedlicher Anteil des Flusses von der Einfallfläche (22) reflektiert und ein ent­ sprechend unterschiedlicher Anteil des Flusses von dem emp­ fangenden Schichtabschnitt (20b) empfangen wird, um eine ent­ sprechende Flussänderung zu erzielen.

24. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei einem Rohrkörper, der ein Hochdruckfluid ent­ hält, so dass die zu messende Wegänderung des Bauteils (1) durch eine Änderung des Hochdrucks verursacht wird, wobei die Auswerteschaltung (9) so ausgebildet ist, dass sie ein Hoch­ drucksignal als Messsignal liefert.

25. Verwendung nach Anspruch 24, wobei der Rohrkörper eine Verteilerschiene einer Kraftstoffeinspritzanlage einer Brenn­ kraftmaschine ist.