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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung von physikalischen
Größen, wie Kraft, Druck, Temperatur, Drehmoment
oder Kombinationen davon. In dieser Messvorrichtung werden Deformationen
einer Membran aus Metall, an der die zu messende Größe
in irgendeiner Weise angreift, mittels deformationsbedingter Veränderungen
ohmscher Widerstände elektrisch erfasst.
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Aus
der
DE 195 27 687
A1 ist ein Sensor bekannt, der auf eine Messmembran aufgebrachte Dünnschichtwiderstände
hat, die in Form von zwei Wheatstone'schen Brücken an solchen
Orten der Messmembran angeordnet sind, dass zwei Widerstände
einer Brücke im Bereich der Stauchung der belasteten Membran
angeordnet sind, während die anderen Widerstände
im Bereich der Dehnung der belasteten Membran angeordnet sind. Auf
diese Weise sollen Veränderungen erkannt werden, die redundante
Messbrückenanordnungen insgesamt beeinträchtigen,
aber allein durch Vergleich der beiden Brücken nicht erkannt
werden können, da sie beide Brücken gleichermaßen
betreffen, wie z. B. Alterung, Materialermüdung, Korrosion
etc..
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Ferner
zeigt 9 eine herkömmliche Anordnung einer Wheatstone'schen
Brücke, die mit einem zuschaltbaren Verstimmwiderstand
ausgerüstet ist. Wird der bekannte Verstimmwiderstand zugeschaltet,
lässt sich aus der Reaktion der Brücke auf diese
Widerstandsänderung an einem ihrer Brückenwiderstände
auf den Zustand der Brücke schließen, so dass
Veränderungen der Brücke durch Alterung, Materialermüdung,
Korrosion etc. erkannt werden können. Jedoch erfordert
diese Anordnung einen Verstimmwiderstand, der in der Regel im Bereich
des etwa tausendfachen der Brückenwiderstände
liegt, deren Widerstand durch die Messaufgabe und den Aufbau z.
B. als DMS vorgegeben ist. Hochohmige Widerstände sind
teure Bauteile, wenn eine entsprechende Präzision und Lebensdauer
erforderlich ist.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Messvorrichtung vorzuschlagen, die mit einfachen Mitteln zuverlässig
eine hohe Messgenauigkeit liefert.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Messung einer
physikalischen Größe hat mindestens eine Wheatstone'schen
Brücke in der mindestens ein Brückenwiderstand
mindesten einen deformationsempfindlichen ohmschen Messwiderstand
enthält, der entsprechend einer Deformation ein elektrisch auswertbares
Signal erzeugt.
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Eine
Wheatstone'sche Brücke hat zwei Spannungsteiler mit jeweils
zwei Brückenwiderständen -also vier Brückenwiderstände-,
die zu einer H-Schaltung oder Brückenschaltung zusammengeschaltet
sind, wobei eine an die beiden Spannungsteiler am mittleren Abgriff
angeschlossene Leitung als Brückenzweig bezeichnet wird.
Der Ausdruck Brückenwiderstand bezeichnet in diesem Text
und in den Ansprüchen ein solches Widerstandselement des
Spannungsteilers zwischen zwei Abgriffen.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung hat ferner eine
Auswerteeinheit, die mit der Wheatstone'schen Brücke verbunden
ist. Ein Verstimmwiderstand ist zu mindestens einem Widerstand (ein
Brückenwiderstand kann mehrere Widerstände enthalten)
in der Wheatstone'schen Brücke mittel- oder unmittelbar
parallel wahlweise zuschaltbar. Erfindungsgemäß ist
ferner ein deformationsunempfindlicher Widerstand vorgesehen, der
mit dem deformationsempfindlichen Messwiderstand in dem Brückenwiderstand
in Reihe geschaltet ist.
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Der
deformationsunempfindliche Widerstand und der zuschaltbare Verstimmwiderstand
können niederohmig sein, d. h. im Bereich von etwa 20 bis 200
Ohm liegen. Diese Bauteile sind langzeit- und temperaturstabil,
preiswert und als handelsübliche Standartbauteile auch
schon mit hoher Genauigkeit erhältlich.
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Zudem
wurde gefunden, dass die erfindungsgemäße Messvorrichtung
gegen ungewollte Einflüsse unempfindlicher ist, z. B. Rauschen
oder Schmutz, der sich zwischen den Abgriffen oder Kontaktpunkten
auf Oberflächen der Messvorrichtung ablagern kann und ungewollte
Strompfade bildet, sowie Temperaturänderungen.
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Vorzugsweise
sind in der Messvorrichtung mindestens zwei Brückenwiderstände
einer Wheatstone'schen Brücke jeweils von zwei in Reihe
geschalteten Widerständen gebildet, zwischen denen ein elektrischer
Anschluss vorgesehen ist, an den der Verstimmwiderstand angelegt
werden kann. Auf diese Weise kann man den Nullpunkt der Brückenspannung
verstimmen.
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Praktisch
ist es, wenn der Verstimmwiderstand über einen Schalter
mit der Wheatstone'schen Brücke verbunden ist, so dass
eine einfache Verstimmung der Brücke möglich ist.
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Die
Messvorrichtung kann mehrere deformationsempfindliche ohmsche Messwiderstände
haben, die zur Bildung von mindestens zwei Wheatstone'schen Vollbrücken
miteinander verschaltet sind, wobei es ausreicht, wenn mindestens
ein Widerstand einer der Brücken mit dem Verstimmwiderstand
beschaltet werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung kann eine Membran
haben, die entsprechend einer zu messenden Größe
deformierbar ist. Je nach Gestaltung und Einsatz der Membran können
Biegekräfte, Zugkräfte, Druckkräfte,
Drehmomente oder auch Wärmedehnungen, die unterschiedliche,
zu messende Ursachen haben können, auf die Membran einwirken.
Die zu messende Größe kann somit direkte oder indirekte
Ursache für die Deformation der Membran sein, so dass ein
Zusammenhang zwischen der Deformation der Membran und deren Ursache
(d. h. der zu messenden Größe) besteht und den
Rückschluss auf die zu messende Größe
zulässt.
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Vorzugsweise
sind die deformationsempfindlichen ohmschen Messwiderstände
in Metalldünnschichttechnik auf der Membran ausgebildet
und verändern entsprechend der Deformation der Membran ihren
Wert. Solche Widerstände, deren Widerstand sich mit einer
Deformation ändert, werden in Form von Dehnungsmessstreifen
DMS verbreitet verwendet. In Metalldünnschichttechnik auf
der Membran ausgebildete Widerstände sind verfahrensbedingt sehr
fest mit der Membran auf quasi atomarer Ebene mit dem Metall verbunden.
Kriecheffekte etc., die in der Trennung der Widerstände
von dem (Metall)träger ihre Ursache haben können,
sind dadurch sicher vermieden.
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Eine
zweckmäßige Anbindung der Messvorrichtung an ihre
externe Schaltung ergibt sich, wenn vorzugsweise jede Wheatston'sche
Brücke mit vier oder fünf elektrischen Anschlussflächen
auf der Membran zum Anschluss einer Auswerteeinheit versehen ist.
Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie sich
anhand des Signals der verstimmten Brücke selbst überprüfen
kann.
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Bei
der Anordnung mehrerer Wheatstone'scher Brücken ist es
vorteilhaft, wenn die Widerstände jeder Brücke
jeweils paarweise im rechten Winkel zueinander angeordnet sind und
die einzelnen Brücken relativ zueinander verschieden ausgerichtet
angeordnet sind. Wenn die Brücken relativ zueinander um
90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind, sind zueinander
senkrechte Deformationen grundsätzlich unmittelbar erfassbar.
Wenn zwei Brücken vorgesehen sind, die relativ zueinander
um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind, gilt diese Überlegung
für im 45°-Winkel gerichtete Deformationen.
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Wie
bereits zuvor erwähnt können in den oben ausgeführten
Schaltungen niederohmige Standardwiderstände eingesetzt
werden, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie temperaturstabil,
unempfindlich gegen Rauschen und unempfindlich gegen Verschmutzungen,
bzw. parasitäre Einflüsse sind.
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In
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist also
auch für hochohmige Messwiderstände ein Prüfsprung,
also eine gezielte Verstimmung, mit stabilen, niederohmigen Widerständen
möglich.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung können auch mehr als zwei Brücken
vorgesehen sein, so können bspw. zwei Brücken
relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet
sein und eine weitere Brücke ist gegenüber den
beiden zueinander senkrecht angeordneten Brücken um 45° versetzt
ausgerichtet angeordnet. Möglich ist auch eine Anordnung von
Brücken, in der zwei Brückenpaare vorgesehen sind,
die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnete
Brücken haben, wobei die beiden Brückenpaare relativ
zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind.
Die Erfassung der Deformationen kann damit entsprechend erfolgen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt:
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1 eine
Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines
in einen Metallkörper eingeschweißten Sensorelements;
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2 eine
Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
in einen Metallkörper eingeschweißten Sensorelements;
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3 eine
mit der Erfindung verwendbare Wheatstone'sche Brückenschaltung;
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4 eine
mit der Erfindung verwendbare externe Beschaltung der Brückenschaltung
aus 3;
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5 eine
mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen
auf dem Sensorelement;
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6 eine
weitere mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von
zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement;
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7 noch
eine mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei
Wheatstone'schen Brückenschaltungen auf dem Sensorelement;
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8 eine
mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von drei Wheatstone'schen Brückenschaltungen
auf dem Sensorelement; und
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9 eine
Wheatstone'sche Brückenschaltung nach dem Stand der Technik
mit Verstimmwiderstand.
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1 zeigt
ein Sensorelement 10 im Schnitt, das in einen Metallkörper 2 eingebaut
ist. Das Sensorelement 10 hat einen topfförmig
ausgebildeten Metallträger 1 mit einer Membran
und einer Eindrehung E an seinem Umfang, so dass ein Flanschabschnitt 3 gebildet
ist, der mittels einer Schweißnaht 4 mit dem Metallkörper 2 verbunden
ist. Der deformierbare Metallkörper 2 hat eine
im Wesentlichen laschenförmige Gestalt, die in dieser schematischen
Schnittansicht nicht gezeigt ist, in die eine Bohrung eingebracht
ist, in die das Sensorelement 10 eingesetzt ist. Die Materialstärke
oder Blechdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 ist
in der Darstellung der 1 mit t bezeichnet und liegt
im Bereich von 0,2 bis 1,2 mm. Der topfförmige Metallträger 1 des
Sensorelements 10 hat den erwähnten Flansch 3 ausgebildet,
dessen axiale Dicke in etwa der Materialstärke t des deformierbaren
Metallkörpers 2 entspricht. Wie in 1 deutlich
zu erkennen ist, ist die Schweißnaht 4 so angebracht,
dass sie das gesamte Material des Metallkörpers 2 in
dessen Dickenrichtung durchdringt. Die Eindrehung E gewährleistet
dabei, dass die beim Schweißen mittels Laserstrahl entwickelte
Wärme sich in dem Metallträger 1 nicht
nennenswert fortsetzt, so dass die Schweißnaht 4 räumlich
und thermisch von der Sensorik 5 (nicht gezeigt) des Sensorelements 10 getrennt
ist, die auf der in 1 linken Deckelfläche
des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht
ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Zuglasche gestaltet
und beschrieben; diese könnte aber auch gleichermaßen
ein anderes Messsystemelement sein, wie z. B. eine Messachse oder
dergleichen.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, die in 2 gezeigt
ist, ist in einen Metallkörper 2 ein Sensorelement 10 eingesetzt,
das ebenfalls einen Flansch 3 ausgebildet hat, der mittels
einer Schweißnaht 4 mit dem umgebenden Metallkörper 2 verbunden
ist. Im Unterschied zu der Gestaltung gemäß 1 ist
hier der Flansch 3 als sich radial erstreckender Abschnitt
eines topfförmigen Metallträgers 1 des
Sensorelements 10 ausgebildet. Ähnlich der Ausführungsform
in 1 ist auch hier die Materialdicke des Flanschs 3 der
Materialdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 angepasst,
so dass beide in etwa die Materialstärke t haben. Auch
in diesem Beispiel kann die Materialstärke t zwischen 0,2
und 1,2 mm liegen. In 2 ist ferner die Sensorik 5 des Sensorelements 1 angedeutet,
die auf der in 2 linken Seite auf der Deckelfläche
des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht
ist. Die Deckelfläche mit der Sensorik 5 ist im
Abstand h von der zugewandten Oberfläche des Metallkörpers 2 bzw.
der zugewandten Oberfläche des Flanschabschnitts 3 des
Metallträgers 1 angeordnet. Dieser Abstand h ist
so gewählt, dass sowohl der Anbau von Auswerteelektronik
als auch die Hebelverhältnisse für die Erfassung der
Deformationen des deformierbaren Metallkörpers 2 optimiert
sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich
die Schweißnaht 4 in Dickenrichtung vollständig
durch den Metallkörper 2.
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In 3 ist
eine Anordnung deformationsempfindlicher und deformationsunempfindlicher ohmscher
Widerstände in Wheatstone'scher Brückenschaltung
gezeigt, die als Sensorik 5 auf dem Metallträger 1 des
Sensorelements 10 in Dünnschichttechnik ausgebildet
sind. Es ist zu erwähnen, dass diese Brückenschaltungen
auch mehrfach auf demselben Sensorelement und in verschiedenen Ausrichtungen
zueinander ausgebildet sein können, wie später
unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 näher
erläutert wird.
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3 zeigt
eine Wheatstone'sche Brücke mit insgesamt sechs Widerständen
A, B, C, D, E, F. Die Widerstände A und B sind rechtwinklig
zueinander angebracht, während die Widerstandsgruppen D, E
und C, F ebenfalls rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Um die
quadratische Anordnung zu erreichen, ist die Widerstandsgruppe D,
E parallel zum Widerstand B angeordnet und die Widerstandsgruppe
C, F ist parallel zum Widerstand A angeordnet. Die in 3 gezeigten
weiteren Widerstände G, H dienen der Temperaturkompensation.
In bekannter Weise sind die gezeigten Widerstände A bis
H mit Anschlusspunkten 11, 12, 13, 14, 15, 16 verbunden. Die
Abgriffe 12 und 14 sind zwischen den in Reihe geschalteten
Widerständen D, E beziehungsweise C, F angeordnet. Die
Brückenspannung wird zwischen den Kontakten 13 und 16 abgegriffen,
während die Anschlussflächen 12 und 14 dazu
verwendet werden, die Brücke zu verstimmen. Mindestens
einer der Widerstände C oder D ist ein deformationsempfindlicher
ohmscher Messwiderstand, während die Widerstände
E bzw. F deformationsunempfindliche ohmsche Widerstände
sind, die mit ihrem zugeordneten Widerstand D bzw. C zur Bildung
des jeweiligen Brückenwiderstands in Reihe geschaltet sind.
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4 zeigt
die Beschaltung der auf der linken Seite der 4 gezeigten
Wheatstone'schen Brückenschaltung gemäß
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3,
die bereits im Einzelnen erläutert wurde. Die Brückenschaltung
jenseits der strichpunktierten Linie ist auf dem Sensor angebracht,
während rechts dieser strichpunktierten Linie in 4 die
externe Schaltung schematisch wiedergegeben ist. Zusätzlich
zu den zuvor genannten Widerständen A bis H sind die Widerstände
J, I und K vorgesehen. K ist ein verstellbarer Widerstand oder Verstimmwiderstand.
Die Widerstände I und J sind in Reihe zueinander und parallel
zu den Widerständen E und F geschaltet. Zwischen den beiden
Widerständen I und J ist ein Abgriff 12' vorgesehen,
der über einen Schalter a mit dem einen Ende des Widerstands
K verbindbar ist, der an seinem anderen Ende mit dem Anschlusspunkt 12 bzw.
dem Widerstand I verbunden ist.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch den Schalter
a die Parallelschaltung der Widerstände I und K in Reihe
mit dem Widerstand J unterbrochen oder ausgeschaltet werden, so
dass nur noch die Widerstände I und J in Reihe miteinander und
parallel mit den Widerständen E und F verschaltet sind.
Diese als gezielte Verstimmung der Brücke bezeichnete Maßnahme
kann in Zusammenarbeit mit einer geeigneten Auswerteeinheit nunmehr
dazu verwendet werden, die Antwort einzelner Komponenten auf diese
Signaländerung dahingehend auszuwerten, dass ein ordnungsgemäßer
Funktionszustand oder eine Fehlfunktion dieser Bauteile ermittelt werden
kann. Anders ausgedrückt, durch diese gezielt verstimmbare
Brücke ist es möglich, unabhängig von
der Änderung der Widerstände in der Brücke selbst,
die Funktionsfähigkeit der Auswerteeinheit zu prüfen.
Selbst wenn eine fehlerhafte Messung seitens der Brücke
vorläge, so ist doch der Unterschied des Signals bei unverstimmter
und verstimmter Brücke ein hinreichend genau festgelegter
Signalwert, der diese Analyse der Auswerteelektronik gestattet. Zudem
kann dann aus dem Prüfungsergebnis auf den Zustand der
Messbrücke geschlossen werden.
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Zusätzlich
zu den obigen Ausführungen ist hier darauf hinzuweisen,
dass weitere Widerstände in der Brücke oder auch
in der Auswerteeinheit vorgesehen werden können, die dann
Funktionen übernehmen können wie Temperaturkompensation
oder dergleichen. So sind zum Beispiel die Widerstände
E und F Abgleichwiderstände, die mittels Lasertrimmung
zum Abgleich der Brücke fest eingestellt werden können.
Die in den Versorgungsteil der Brücke eingeschalteten Widerstände
G und H bilden Kompensationswiderstände für den
Temperaturgang des E-Moduls, d. h. sie dienen der Kompensation der Temperaturabhängigkeit
der Empfindlichkeit des Sensors.
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Insbesondere
können die Widerstände E, F, I, J und/oder K niederohmige
Widerstände (etwa 20 bis 200 Ohm) sein, während
die Widerstände A, B, C und/oder D hochohmige Messwiderstände
sein können. Bei einer Viertelbrücke ist nur einer
der Brückenwiderstände deformationsempfindlich;
bei einer Halbbrücke sind zwei Brückenwiderstände
deformationsempfindlich und bei einer Vollbrücke sind alle vier
Brückenwiderstände deformationsempfindlich.
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Die 5, 6, 7 und 8 zeigen jeweils
schematisierte Draufsichten auf die Deckelfläche eines
Sensorelements mit darauf aufgebrachten Widerständen. Sie
zeigen lediglich die prinzipielle Anordnung und Orientierung der
Brückenwiderstände innerhalb der einzelnen Brücken.
Die Widerstände einer Gruppe sind jeweils mit A, B, C,
D, A', B', C', D' oder A'' , B'' , C'' bzw. D'' bezeichnet. Selbstverständlich
können alle diese Brücken entsprechend den obigen
Ausführungen zu 3 und 4 gestaltet
sein und folglich auch deren sämtliche Widerstände
bzw. eine entsprechend gestaltete Auswerteeinheit sowie passende
Anschlussmimik haben. Die Widerstände sind in Dünnfilmtechnik
aufgebracht und mittels Glasisolation vom Trägermaterial
(Metallträger) isoliert.
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In 5 ist
eine sogenannte x- und y-Richtungsanordnung der Brücken
gezeigt, d. h. die einzelnen Widerstandspaare AC, A'C'; BD, B'D'
der jeweiligen Brücke stehen senkrecht zueinander, wobei
jeweils zwei Brückenpaare AC, A'C'; BD, B'D' von zwei Brücken
zueinander parallel angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich
Deformationen oder Komponenten davon entsprechend ihrer um 90° zueinander versetzten
Richtung unmittelbar messen.
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In
der 6 ist eine Anordnung getroffen, in der die Brückenwiderstände
A, B, C, D der linken Brücke genauso angeordnet sind, wie
die Widerstände A, B, C, D in der linken Brücke
in 5. In der rechten Brücke der 6 sind
die Widerstände A', B', C', D' zwar zueinander im rechten
Winkel, jedoch bezüglich der Widerstandspaare AC, BD der
ersten Brücke im 45 Grad Winkel angeordnet. Auf diese Weise
misst die eine Brücke in x- und y-Richtung, während
die andere Brücke Deformationen in der dazu um jeweils
um 45 Grad versetzten Richtung unmittelbar misst.
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In
der 7 sind wiederum gleichartige Brücken
mit zueinander senkrechten Paaren AC, BD, A'C', B'D' von Widerständen
ausgebildet, diese sind aber zur x-y-Richtung des Sensors alle um
45 Grad versetzt angeordnet, d. h. die Widerstände A und
B sind parallel zu den Widerständen D' und C' angeordnet
und die Widerstände A', B' sind parallel zu den Widerständen
C und D angeordnet. Dies ermöglicht eine redundante Messung
in den Richtungen 45 Grad relativ zu x und y.
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Schließlich
bietet die 8 eine weitere Modifikation
mit einer dritten Wheatstone'schen Brücke, die, ausgehend
von der Gestalt in 7, zwischen die mit 45 Grad
zu den Hauptachsen x, y angeordneten Brücken senkrecht
in x-y-Richtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine redundante
Messung von 45 Grad bezüglich der x-y-Richtung und eine
zusätzliche Messung in x- und y-Richtung möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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