DE102008055774A1 - Assembly's temperature measuring device, has partial conductive paths whose widths and angle are coordinated so that mechanical expansion causes changes of resistances of paths, where resistances changes are compensated against each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines Bauteils, die mit dem Bauteil fest verbunden oder ausgebildet ist, auf dem Bauteil unlösbar angeordnet zu werden, mit einer ersten Leiterbahn mit zwei Enden. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils, mit wenigstens einem Dehnungssensor, der eine zweite Leiterbahn mit zwei Enden umfasst.The The invention relates to a device for measuring a temperature a component which is firmly connected or formed with the component is to be arranged on the component insoluble, with a first conductor with two ends. In addition, the invention relates a device for measuring an elongation of a component, with at least a strain sensor that has a second trace with two ends includes.
Derartige Vorrichtungen zum Messen einer Temperatur nutzen den Effekt, dass sich das Bauteil, dessen Temperatur zu bestimmen ist, bei einer Temperaturerhöhung ausdehnt und bei einer Verringerung der Temperatur zusammenzieht. Die zur Messung auf dem Bauteil angeordnete Leiterbahn der Vorrichtung zum Messen der Temperatur wird bei unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten dabei flächig gedehnt oder gestaucht. Dies hat eine Änderung des elektrischen Widerstandes der Leiterbahn zur Folge. Über eine Messung des elektrischen Widerstands zwischen den Enden der Leiterbahn wird so die flächige Dehnung der Leiterbahn ermittelt und aus dieser auf die Ausdehnung des Bauteils geschlossen. Ist der hauptsächlich ausdehnungsbedingte Temperaturgang des Widerstandes durch vorherige Kalibrierung bekannt, kann über die Widerstandsmessung auf die Temperatur geschlossen werden.such Devices for measuring a temperature use the effect that the component whose temperature is to be determined, at a Temperature increase expands and at a reduction the temperature contracts. The arranged on the component for measurement Track of the device for measuring the temperature is at different Thermal expansion behavior stretched flat or compressed. This has a change of electrical Resistance of the track to the episode. About a measurement the electrical resistance between the ends of the trace will be so the areal stretching of the track is determined and from this closed on the extension of the component. Is the main one expansion-related temperature response of the resistor by previous Calibration known, can via the resistance measurement be closed to the temperature.
Der elektrische Widerstand, der zwischen den Enden der Leiterbahn messbar ist, ändert sich jedoch auch, wenn das Bauteil aufgrund äußerer mechanischer Spannungen gedehnt oder gestaucht wird. Auch in diesem Fall wird eine mechanische Dehnung oder Stauchung auf die auf das Bauteil aufgebrachte Leiterbahn ausgeübt, die eine Veränderung des elektrischen Widerstandes der Leiterbahn zur Folge haben.Of the electrical resistance measurable between the ends of the trace is, however, also changes when the component due to external mechanical stresses is stretched or compressed. Also in this Case will be a mechanical strain or compression on the on the Component applied trace exerted a change the electrical resistance of the conductor track result.
Nachteilig ist, dass sowohl Ausdehnungen aufgrund von Temperaturänderungen als auch Dehnungen aufgrund externer mechanischer Spannungen eine Veränderung des elektrischen Widerstands der Leiterbahn zur Folge haben. Die Effekte können somit nicht voneinander unterschieden werden.adversely is that both expansions due to temperature changes as well as strains due to external mechanical stresses Change in the electrical resistance of the conductor track have as a consequence. The effects can not be different from each other be differentiated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines Bauteils bereitzustellen, mit denen Effekte, die durch eine Temperaturänderung im zu vermessenden Bauteil hervorgerufen werden, von Effekten unterschieden werden können, die durch eine Dehnung des Bauteils aufgrund mechanischer Spannungen auftreten.Of the Invention is based on the object, a device for measuring provide a temperature of a component with which effects, by a change in temperature in the component to be measured can be distinguished from effects, which occur due to an expansion of the component due to mechanical stresses.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines Bauteils, bei der die erste Leiterbahn aus wenigstens einer ersten Teil-Leiterbahn mit einer ersten Breite und einem ersten Widerstand und einer zweiten Teil-Leiterbahn mit einer zweiten Breite, die kleiner ist als die Breite der ersten Teil-Leiterbahn, und einem zweiten Widerstand besteht, die mit der ersten Teil-Leiterbahn einen Winkel α einschließt, wobei die erste Breite der ersten Teil-Leiterbahn und die zweite Breite der zweiten Teil-Leiterbahn und der Winkel α so aufeinander abgestimmt sind, dass eine entlang einer Dehnungsrichtung auftretende Dehnung des Bauteils eine Änderung des ersten Widerstand und eine Änderung des zweiten Widerstandes zur Folge hat, die einander kompensieren.The Invention solves this problem by a generic Device for measuring a temperature of a component, in which the first conductor track of at least a first partial conductor track with a first width and a first resistance and a second one Partial trace with a second width that is smaller than that Width of the first sub-trace, and a second resistor which forms an angle α with the first sub-track, wherein the first width of the first sub-trace and the second width the second sub-trace and the angle α so on each other are tuned that occurring along a direction of expansion Elongation of the component a change of the first resistance and a change of the second resistance results which compensate each other.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Temperatur nutzt aus, dass eine Dehnung des Bauteils entlang einer Dehnungsrichtung zu einer Stauchung des Bauteils in einer Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung führt. Diese Stauchung ist betraglich kleiner als die Dehnung in Dehnungsrichtung. Der Proportionalitätsfaktor ist die Poissonzahl v, die für metallische Werkstoffe cirka 0,3 beträgt. Demgegenüber führt eine thermische Änderung zu einer isotropen Ausdehnung.A Inventive device for measuring a Temperature exploits that an elongation of the component along a Expansion direction to a compression of the component in a direction perpendicular leads to the direction of expansion. This compression is amount less than the strain in the stretch direction. The proportionality factor is the Poisson's number v, which is about 0.3 for metallic materials is. In contrast, a thermal change leads to an isotropic extent.
Vorzugsweise ist der von der ersten Teil-Leiterbahn und der zweiten Teil-Leiterbahn eingeschlossene Winkel α ein rechter Winkel. In diesem Fall wird die erste Leiterbahn L-förmig. Erstreckt sich die erste Teil-Leiterbahn beispielsweise in Dehnungsrichtung, wird sie bei der Dehnung des Bauteiles um die Dehnung ε gedehnt. Der erste Widerstand der ersten Teil-Leiterbahn nimmt somit um R1·k·ε zu, wobei R1 den ursprünglichen ersten Widerstand der ersten Teil-Leiterbahn und ε die Dehnung bezeichnet. k ist als materialabhängiger „k-Faktor” bekannt, der beispielsweise für Konstantan kaum temperaturabhängig ist und einen Wert von cirka 2 hat.Preferably is that of the first part trace and the second part trace included angle α is a right angle. In this Case, the first trace becomes L-shaped. Extends the first part-track, for example, in the direction of elongation, is they are stretched by the elongation ε during the expansion of the component. The first resistance of the first sub-trace thus increases by R1 · k · ε, where R1 is the original first resistor of the first sub-trace and ε denotes the strain. k is known as a material-dependent "k-factor", for example, for Konstantan hardly temperature dependent is and has a value of about 2.
Die spannungsbedingte Dehnung führt zur Querkontratkion in senkrechter Richtung. Ist der von der ersten Teil-Leiterbahn und der zweiten Teil-Leiterbahn eingeschlossene Winkel α ein rechter Winkel, erstreckt sich die zweite Teil-Leiterbahn in einer Richtung senkrecht zur Dehnungsrichtung. Der zweite Widerstand der zweiten Teil-Leiterbahn nimmt folglich um den Wert R2·k'·ε ab. Dabei ist R2 der ursprüngliche zweite Widerstand der zweiten Teil-Leiterbahn, ε bezeichnet wieder die Dehnung und k' = k·v, wobei k wieder der materialabhängige „k-Faktor” und v die Poissonzahl ist.The Stress - induced stretching leads to the lateral con - trol in vertical direction. Is that of the first part conductor and the second sub-trace enclosed angle α a right angle, the second sub-strip extends in one Direction perpendicular to the direction of elongation. The second resistance of the second sub-trace thus decreases by the value R2 · k '· ε. Here, R2 is the original second resistor of the second Part-trace, ε again denotes the strain and k ' = k · v, where k again the material-dependent "k-factor" and v is the Poisson number.
Ist der von der ersten Teil-Leiterbahn und der zweiten Teil-Leiterbahn eingeschlossene Winkel α kein rechter Winkel, führt eine Dehnung des Bauteils in Dehnungsrichtung dennoch zum Anstieg eines der Widerstände R1 oder R2 und zum Absinken des jeweils anderen. Der erste Widerstand der ersten Teil-Leiterbahn und der zweite Widerstand der zweiten Teil-Leiterbahn werden nun durch geeignete Wahl der Breiten der beiden Teil-Leiterbahnen so gewählt, dass die Änderung des ersten Widerstandes und die Änderung des zweiten Widerstandes einander nur im Wesentlichen kompensieren. Durch die geeignete Wahl der Breiten ist sichergestellt, dass eine Dehnung des Bauteils in Dehnungsrichtung den elektrischen Widerstand, der zwi schen den beiden Enden der ersten Leiterbahn messbar ist, nicht ändert. Verändert sich jedoch die Temperatur des Bauteils, hat dies eine isotrope Ausdehnung oder ein isotropes Zusammenziehen des Bauteils zur Folge, so dass die dadurch hervorgerufene Änderung des ersten Widerstandes und die Änderung des zweiten Widerstandes das gleiche Vorzeichen aufweisen, so dass sich beide Änderungen nicht gegenseitig kompensieren können. Die thermische Ausdehnung und eine intrinsische Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands des Materials der Leiterbahn führen somit zu einer rein temperaturabhängigen Änderung des Widerstandes. Der gemessene Widerstand ist unabhängig von einer Dehnung des Bauteils in einer vorgegebenen Dehnungsrichtung.If the angle α enclosed by the first partial printed conductor and the second partial printed conductor is not a right angle, an elongation of the component in the direction of elongation nevertheless leads to the rise of one of the resistors R1 or R2 and to the sinking of the other one. The first resistor of the first partial conductor and the second resistor of the two th partial sub-track are now selected by a suitable choice of the widths of the two sub-tracks so that the change of the first resistor and the change of the second resistor only substantially compensate each other. By the appropriate choice of the widths it is ensured that an elongation of the component in the direction of elongation, the electrical resistance which is between the two ends of the first printed conductor is measured, does not change. However, if the temperature of the component changes, this results in an isotropic expansion or isotropic contraction of the component, so that the change in the first resistance caused thereby and the change of the second resistance have the same sign, so that both changes do not compensate each other can. The thermal expansion and an intrinsic temperature dependence of the electrical resistance of the material of the conductor thus lead to a purely temperature-dependent change in the resistance. The measured resistance is independent of any elongation of the component in a given direction of elongation.
Vorteilhafterweise besteht die erste Leiterbahn aus einem Material mit im Wesentlichen temperaturunabhängigem k-Faktor, beispielsweise Konstantan. Allerdings ist der elektrische Widerstand der ersten Leiterbahn ohne externe mechanische Spannung, also der Nullpunkt, temperaturabhängig. Die Temperaturausdehnung des Bauteils und des Dehnungsmessstreifens ist isotrop, aber unterschiedlich. Der k-Faktor und der Temperaturgang sind somit statisch zu kalibrieren.advantageously, the first trace is made of a material having substantially temperature-independent k-factor, for example, constantan. However, the electrical resistance of the first conductor is without external mechanical stress, ie the zero point, temperature-dependent. The temperature expansion of the component and the strain gauge is isotropic but different. The k factor and the temperature response are thus statically calibrated.
Besonders günstig ist die Verwendung der beschriebenen Temperaturmessvorrichtung in der Verwendung von Dehnungsmessstreifen für dynamische Messvorgänge. Hierbei treten sowohl Dehnungen aufgrund von mechanischen Spannungen als auch Ausdehnungen aufgrund von Temperaturänderungen auf. Die Dehnungs- und Temperaturänderungen können eine Frequenz von über 1 kHz haben. Es ergeben sich dabei nämlich die im Folgenden beschriebenen Probleme.Especially favorable is the use of the described temperature measuring device in the use of strain gauges for dynamic Measurement processes. Here occur both strains due of mechanical stresses as well as expansions due to temperature changes on. The strain and temperature changes can have a frequency of over 1 kHz. It arise here namely the problems described below.
Die Verwendung von metallischen und piezoresistiven Dehnungsmessstreifen ist insbesondere für die Anwendung in der technischen Mechanik bekannt. Sie werden in Wägezellen und Kraftaufnehmern als Sensorelemente benutzt.The Use of metallic and piezoresistive strain gauges is especially for use in engineering mechanics known. They are used in load cells and force transducers Sensor elements used.
Üblicherweise werden Präzisionskraftaufnehmer aus Verformungskörpern hergestellt, auf die trägerfoliengebundene Dehnungsmessstreifen beispielsweise in Wheatstone-Brückenschaltung aufgeklebt werden. Die trägerfoliengebundenen Dehnungsmessstreifen bestehen dabei gegebenenfalls aus einer glasfaserverstärkten Kunststofffolie, auf die eine gewalzte und geätzte Metallfolie aufgebracht wird. Die Metallfolie hat dabei üblicherweise eine Dicke von wenigen μm und eine Strukturbreite von wenigen 10 μm. Damit die aufgebrachte Leiterbahn den für die Messung notwendigen elektrischen Widerstand, beispielsweise 350 Ω, aufweist, muss sie eine Minimallänge aufweisen. Um die Leiterbahn auf möglichst kleiner Messfläche unterzubringen, wird sie mäanderförmig geführt.Usually become precision force transducers from deformation bodies made on the carrier foil-bonded strain gauges For example, glued in Wheatstone bridge circuit become. The carrier foil-bound strain gauges may consist of a glass fiber reinforced plastic film, on which a rolled and etched metal foil is applied. The metal foil usually has a thickness of few μm and a structure width of a few 10 μm. So that the applied trace the necessary for the measurement electrical resistance, for example 350 Ω, it must have a minimum length. To the conductor track to be accommodated on the smallest possible measuring surface, it is guided meandering.
Ein wesentliches Problem bei der Anwendung von Dehnungsmessstreifen in Präzisionskraftaufnehmern ist die Kompensation des Zeitverhaltens, das so genannte „Kriechen”. Da die Größe und die Form der Umkehrstellen der mäanderförmig gelegten Leiterbahn das Kriechverhalten beeinflussen, ist der übliche Weg, das Kriechverhalten des Dehnungsmessstreifens auf das Verhalten des Werkstoffs des Verformungskörpers abzugleichen, die Wahl geeigneter Geometrien des Dehnungsmessstreifens.One major problem with the use of strain gauges in precision force transducers is the compensation of the time behavior, the so-called "creep". Because the size and the shape of the reversal points of meandering is the usual crosstalk Way, the creep behavior of the strain gauge on the behavior of the material of the deformation body, the choice suitable geometries of the strain gauge.
Besondere
Ausgestaltungen der Form eines Dehnungsmessstreifens sind beispielsweise
aus der
Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Dehnungsmessstreifen in Präzisionskraftaufnehmern ist die Temperaturkompensation. Wie oben dargelegt, können Spannungen, die in bekannten Dehnungsmessstreifen durch eine Temperaturänderung des zu vermessenden Bauteils hervorgerufen werden, nicht von Spannungen unterschieden werden, die im Dehnungsmessstreifen aufgrund von Dehnungen des zu vermessenden Bauteils durch externe mechanische Spannungen entstehen.One Another problem with the use of strain gauges in Precision force transducers is the temperature compensation. As stated above, voltages that are known in the art Strain gauges by a change in temperature of to be measured component, not of voltages be distinguished in the strain gauge due to strains of the component to be measured by external mechanical stresses arise.
In
der
Bis
heute werden Dünnschichtdehnungsmessstreifen nicht für
Präzisionskraftaufnehmer höchster Qualität
verwendet. Aus der
Die genannten Probleme treten insbesondere bei der Verwendung von Dehnungsmessstreifen für dynamische Messvorgänge auf. Die Temperaturkompensation und die Kalibrierung der Dehnung oder der jeweiligen damit zusammenhängenden Messgröße werden im statischen Lastfall vorgenommen. In diesem Fall werden Temperaturausgleichsvorgänge nicht berücksichtigt.The These problems occur in particular when using strain gauges for dynamic measuring operations on. The temperature compensation and the calibration of the strain or the associated measured variable are made in static load case. In this case will be Temperature compensation processes not taken into account.
Bei Stauchung oder Dehnung von Verformungskörpern tritt in Kombination mit der Querkontraktion des verformten Körpers eine Volumenänderung und damit eine instantane adiabatische Temperaturänderung ein. Diese wird durch die geleistete mechanische Arbeit bewirkt. Durch diese Temperaturänderung entsteht eine der Ursache entgegengesetzte mechanische Spannung, die scheinbar den Elastizitätsmodul erhöht. In der Literatur wird daher zwischen dem statischen und dem dynamischen Elastizitätsmodul unterschieden. Der Unterschied zwischen beiden Elastizitätsmodulen kann je nach Material mehrere Prozent betragen, was für Präzisionsmessungen intolerabel ist. In Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Verformungsvorgänge und der Wärmeableitung im verformten Material gibt es dabei einen unbekannten kontinuierlichen Übergang zwischen den beiden Elastizitätsmodulen.at Compression or stretching of deformation bodies occurs Combination with the transverse contraction of the deformed body a volume change and thus an instantaneous adiabatic Temperature change. This is done by the mechanical Work causes. Due to this temperature change arises one of the cause opposite mechanical stress, the apparent increases the modulus of elasticity. In the literature is therefore between the static and the dynamic modulus of elasticity distinguished. The difference between the two moduli of elasticity Depending on the material can be several percent, what for Precision measurements is intolerable. Dependent on the speed of deformation and heat dissipation in the deformed material there is an unknown continuous transition between the two moduli of elasticity.
Bei Ringtorsionsaufnehmern oder Scherelementen ist dies prinzipbedingt reduziert, da hier eine Volumenänderung in erster Ordnung nicht auftritt. Somit tritt hier auch keine adiabatische Temperaturänderung auf. Aus konstruktiven oder produktionstechnischen Gründen ist es jedoch erwünscht, normale Stauchkörper zu verwenden.at Ringtorsionsaufnehmern or shear elements this is inherent reduced, since here a volume change in the first order does not occur. Thus, no adiabatic temperature change occurs here on. For constructive or production reasons However, it is desirable normal compression body to use.
Insbesondere bei dynamischer Kraftmessung mit Frequenzen bis in den Kilohertzbereich ist zusätzlich mit innerer Reibung und Reibung in den Verbindungselementen zu rechnen. Temperaturgradienten im Verformungskörper führen mit der Temperaturausdehnung und Wärmeleitung zu mechanischen Spannungen, die an der Messstelle zu unerwarteten zeitabhängigen Dehnungen führen können. Es kommt aufgrund dieser Wechselwirkungen zu weiteren Zeitabhängigkeiten des Messsignals, falls die Krafteinkopplung in den Kraftaufnehmer äußeren Zwangsbedingungen unterliegt oder dessen thermische Ausdehnung die potentielle Energie ändert. Betrachtet man den Frequenzgang der Empfindlichkeit bzw. des Ansprechvermögens, so ist dieser nicht flach, sondern kann charakteristische Abstufungen bei den Frequenzen aufweisen, die den reziproken typischen Zeitkonstanten für den Temperaturausgleich entsprechen.Especially with dynamic force measurement with frequencies up to the kilohertz range is additionally with internal friction and friction in the connecting elements to count. Temperature gradients in the deformation body lead with the temperature expansion and heat conduction to mechanical Voltages at the measuring point to unexpected time-dependent Can cause stretching. It comes because of this Interactions with further time dependencies of the measurement signal, if the force input into the force transducer external constraints or whose thermal expansion changes the potential energy. Considering the frequency response of the sensitivity or the response, so this is not flat, but may be characteristic gradations have the frequencies corresponding to the reciprocal typical time constants for temperature compensation.
Die Erfindung löst gemäß einem Aspekt folglich auch die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils bereitzustellen, mit der Effekte, die durch eine Temperaturänderung im zu vermessenden Bauteil hervorgerufen werden, von Effekten unterschieden werden können, die durch eine Dehnung des Bauteils aufgrund mechanischer Spannungen auftreten, so dass die Messgenauigkeit weniger von der Frequenz der mechanischen Dehnung abhängt als bei Dehnungsmessvorrichtungen nach dem Stand der Technik.The Invention accordingly solves according to one aspect also the task of a device for measuring a strain of a To provide components with the effects of a change in temperature be caused in the component to be measured, distinguished by effects can be due to an elongation of the component due to mechanical stresses occur, so the measurement accuracy less depends on the frequency of the mechanical strain than at Strain gauges according to the prior art.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils, mit wenigstens einem Dehnungssensor, der eine zweite Leiterbahn mit zwei Enden umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine oben beschriebene Temperaturmessvorrichtung umfasst.A Inventive device for measuring a Elongation of a component, with at least one strain sensor, the comprises a second conductor with two ends, characterized by that it comprises a temperature measuring device described above.
Zwischen den beiden Enden der zweiten Leiterbahn des Dehnungssensors wird zur Messung der Dehnung des Bauteils der elektrische Widerstand gemessen. Dies geschieht beispielsweise auf herkömmliche Art und Weise, so dass eine gemessene Widerstandsänderung sowohl von thermischer Ausdehnung des zu vermessenden Bauteils als auch durch Dehnungen aufgrund externen mechanischer Spannungen hervorgerufen werden kann. Durch die Verwendung einer oben beschriebenen Vorrichtung zum Messen einer Temperatur eines Bauteils ist die Temperatur des Bau teils unabhängig von Dehnungen des Bauteils aufgrund mechanischer Spannungen bestimmbar. Somit ist sichergestellt, dass aus dem zwischen den beiden Enden der zweiten Leiterbahn des Dehnungssensors gemessenen elektrischen Widerstand der Anteil herausgerechnet werden kann, der durch eine Temperaturänderung des Bauteils hervorgerufen wird. Somit ermöglicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils eine temperaturkompensierte Dehnungsmessung.Between the two ends of the second trace of the strain sensor is for measuring the elongation of the component of the electrical resistance measured. This happens, for example, conventional Way, so that a measured resistance change both of thermal expansion of the component to be measured as also caused by strains due to external mechanical stresses can be. By using a device described above for Measuring a temperature of a component is the temperature of the construction part independent of strains of the component due to mechanical Tension determinable. Thus it is ensured that from the between measured the two ends of the second trace of the strain sensor electrical resistance the proportion can be deducted caused by a change in temperature of the component becomes. Thus, an inventive allows Device for measuring an elongation of a component a temperature-compensated Strain measurement.
Vorzugsweise besteht die zweite Leiterbahn aus wenigstens einer dritten Teil-Leiterbahn mit einer dritten Breite und einer vierten Teil-Leiterbahn mit einer vierten Breite, die größer ist als die dritte Breite der dritten Teil-Leiterbahn.Preferably if the second conductor track consists of at least one third partial conductor track with a third width and a fourth part trace with a fourth width, which is larger than the third Width of the third sub-track.
Vorzugsweise verläuft die erste Teil-Leiterbahn parallel zur dritten Teil-Leiterbahn oder zur vierten Teil-Leiterbahn.Preferably the first part-track runs parallel to the third Part-track or the fourth part-track.
Besonders bevorzugt beträgt ein Abstand A zwischen der ersten Leiterbahn und der zweiten Leiterbahn weniger als die dreifache Breite der ersten Teil-Leiterbahn. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die über die Temperaturmessvorrichtung ermittelte Temperatur des Bauteils sehr nahe an der Stelle des Bauteils ermittelt wird, an der auch die Dehnungsmessung stattfindet. So werden Phasenverschiebungen zwischen der gemessenen Dehnung und der gemessenen Temperatur verringert, wie sie beispielsweise bei dynamischen Dehnungen aufgrund der endlichen Temperaturleitfähigkeit des Bauteilmaterials auftreten können, und die Messgenauigkeit steigt.Particularly preferably, a distance A between the first printed conductor and the second printed conductor is less than three times the width of the first partial printed conductor. In this way, it is ensured that the temperature of the component determined via the temperature measuring device is determined very close to the location of the component on which the strain measurement also takes place. Thus, phase shifts between the measured strain and the measured temperature decreases, as may occur, for example, in dynamic strains due to the finite thermal conductivity of the component material, and the measurement accuracy increases.
Vorteilhafterweise besteht die erste Leiterbahn aus dem gleichen Material wie die zweite Leiterbahn. Die einzelnen Teil-Leiterbahnen verlaufen vorzugsweise geradlinig.advantageously, the first trace is made of the same material as the second one Trace. The individual partial printed conductors preferably run straight.
Vorzugweise handelt es sich bei der ersten Leiterbahn und der zweiten Leiterbahn um Dünnschichtleiterbahnen mit einer Dicke von weniger als 1 μm. Dadurch gelingt eine sehr steife mechanische Ankopplung an die Oberfläche des zu vermessenden Bauteils, um ein gutes Zeitverhalten, also eine direkte Reaktion des Dehnungsmessstreifens auf Dehnungen des Bauteils, im Mikrosekundenbereich zu gewährleisten.preferably, this is the first trace and the second trace Thin-film conductors with a thickness of less than 1 μm. This achieves a very stiff mechanical coupling to the surface of the component to be measured, to a Good timing, so a direct response of the strain gauge to ensure expansions of the component, in the microsecond range.
Zudem ist auf diese Weise eine sehr gute thermische Kopplung des Dehnungsmessstreifens an die Oberfläche des Bauteils gewährleistet, wodurch Phasenverschiebungen zwischen Dehnungs- und Temperatursignal weiter reduziert werden.moreover is in this way a very good thermal coupling of the strain gauge on Ensures the surface of the component, thereby Phase shifts between strain and temperature signal on be reduced.
Die Herstellung von Dünnschichtleiterbahnen ist zudem einfach, schnell und somit kostengünstig und zudem langzeitstabil unter statischen Messbedingungen mit Reproduzierbarkeit des Kennwertes besser als 10 ppm vom Dehnungswert. Somit wird auch das Problem des Kriechens stark verringert. Durch die Verwendung von Dünnschichtleiterbahnen, insbesondere auf anorganischer Basis, kann eine Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils bei den bevorzugten elektrischen Kennwerten, beispielsweise Widerständen im Bereich von 350 Ω und einer 5-V-Speisung, betrieben werden.The Manufacturing thin-film conductors is also easy fast and thus cost-effective and also long-term stable under static measuring conditions with reproducibility of the characteristic value better than 10 ppm of the strain value. Thus, the problem will be greatly reduced in creep. By using thin-film conductors, In particular, on an inorganic basis, a device for Measuring an elongation of a component at the preferred electrical characteristics, For example, resistors in the range of 350 Ω and a 5 V power supply, operated.
Durch das Zusammenspiel von örtlich eng zusammen liegenden und thermisch gut an das zu vermessende Bauteil gekoppelten Temperatur- und Dehnungssensor können schnelle zeitabhängige Effekte aufgrund thermisch induzierter mechanischer Spannungen kompensiert werden, obwohl die notwendigen Kalibrierparameter oder Justierungen statisch gewonnen werden.By the interaction of locally closely related and thermally well coupled to the component to be measured coupled temperature and strain sensor can be fast time-dependent Effects compensated due to thermally induced mechanical stresses although the necessary calibration parameters or adjustments be obtained statically.
Vorteilhafterweise umfasst eine Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils zwei Dehnungssensoren und zwei oben beschriebene Temperaturmessvorrichtungen, die in Form einer Wheatstone'schen Brücke angeordnet sind. Dies ist ein Sonderfall der Serien- und Parallelverschaltung, durch die ein temperaturkompensierter Dehnungssensor erreicht wird. Durch die Verwendung einer Schaltung in Form einer Wheatstone'schen Brücke wird die Messgenauigkeit bis auf 10–9 erhöht.Advantageously, a device for measuring an elongation of a component comprises two strain sensors and two temperature measuring devices described above, which are arranged in the form of a Wheatstone bridge. This is a special case of series and parallel connection, through which a temperature-compensated strain sensor is achieved. By using a circuit in the form of a Wheatstone bridge, the measurement accuracy is increased to 10 -9 .
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zur Messung einer Dehnung eines Bauteils eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist, aus einem elektrischen Widerstand, der zwischen den Enden der ersten Leiterbahn messbar ist, die Temperatur eines unter der Dehnungsmessvorrichtung liegenden Bauteils zu errechnen. Besonders vorteilhafterweise ist die Steuerung eingerichtet, aus der Temperatur des Bauteils und einem elektrischen Widerstand, der zwischen den Enden der zweiten Leiterbahn messbar ist, eine temperaturkompensierte mechanische Spannung des Bauteils zu errechnen.Preferably includes the device for measuring an elongation of a component an electrical control that is set up from an electrical Resistance measurable between the ends of the first trace is the temperature of a lying under the strain gauge Component to calculate. Particularly advantageously, the controller set up, from the temperature of the component and an electrical Resistance measurable between the ends of the second trace, a temperature-compensated mechanical stress of the component to calculate.
Durch eine geeignete Formgebung der verschiedenen Leiterbahnen wird eine lokale kleinflächige Messung von Dehnung und Temperatur erreicht. Dies ermöglicht zudem eine einfache Strukturierung sowie einfache Geometrieparameter, und eine nachträgliche Abgleichbarkeit, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Durch geeignete Wahl der Breiten der dritten Teil-Leiterbahn und der vierten Teil-Leiterbahn hat der Dehnungssensor vorteilhafterweise nur eine empfindliche Richtung.By a suitable shaping of the various conductor tracks becomes a local small area measurement of strain and temperature reached. This also allows easy structuring as well simple geometry parameters, and subsequent adjustability, to compensate for manufacturing tolerances. By a suitable choice of Widths of the third sub-trace and the fourth sub-trace the strain sensor has advantageously only one sensitive Direction.
Eine oben beschriebene Vorrichtung zum Messen einer Dehnung eines Bauteils ist vorteilhafterweise auf dem zu vermessenden Bauteil angeordnet. Dabei sind die erste Leiterbahn und die zweite Leiterbahn vorzugsweise auf das Bauteil im Kathodenstrahlzerstäubungsverfahren aufgebracht. Besonders vorteilhafterweise ist die erste Leiterbahn und die zweite Leiterbahn auf eine auf das Bauteil aufgebrachte isolierende Schicht aufgedampft.A above-described device for measuring an elongation of a component is advantageously arranged on the component to be measured. In this case, the first interconnect and the second interconnect are preferably on the component in the cathode jet sputtering process applied. Particularly advantageously, the first conductor track and the second conductor on an insulating applied to the component Layer evaporated.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigtin the Below, embodiments of the invention are based on a drawing explained in more detail. It shows
Die
erste Leiterbahn
Wird
das unter der in
In
In
der in
Die
in
Die
Breite B3 der dritten Teil-Leiterbahn
Wird
das unter der in
Durch
die geeignete Wahl der Breiten B1 und B2 der ersten Teil-Leiterbahn
Der
zwischen den Enden
Die Änderung
des zwischen den Enden
In
Ein
Abstand A zwischen der ersten Leiterbahn
In
Wie
in
Zusätzlich
verfügt die in
Die
breitere Teil-Leiterbahn
Wie
bereits dargelegt, führt eine Dehnung des unter der Leiterbahnanordnung
liegenden Bauteils in Hauptspannungsrichtung P zu einer Stauchung
des Bauteils senkrecht zur Richtung des Pfeils P. Diese Stauchung
führt zu einer Verringerung des zweiten Widerstandes R2
der zweiten Teil-Leiterbahn
Zudem
weist die in
Durch
die in
Für den Aufnehmerbau werden für die Sensoren Applikationsstellen ausgesucht, die einen einachsigen Spannungszustand und demzufolge eine Dehnung nur entlang der durch den Pfeil P angedeuteten Richtung, aufweist. Auf eine hinreichend glatte, beispielsweise geläppte oder diamantgedrehte, Oberfläche wird eine Isolatorschicht aufgebracht, die beispielsweise in bekannter Weise aus zwei dünnen Lagen Aluminiumoxid bestehen kann, um Poren und mangelnde elektrische Isolation zu vermeiden.For The transducer construction becomes application points for the sensors chosen, which is a uniaxial state of tension and consequently stretching only along the direction indicated by the arrow P, having. On a sufficiently smooth, for example, lapped or diamond-turned, surface becomes an insulator layer applied, for example, in a known manner of two thin layers Aluminum oxide can consist of pores and lack of electrical To avoid isolation.
- αα
- Winkelangle
- PP
- Pfeilarrow
- AA
- Abstanddistance
- 22
- erste Leiterbahnfirst conductor path
- 2a2a
- EndeThe End
- 2b2 B
- EndeThe End
- 33
- Bauteilcomponent
- 44
- erste Teil-Leiterbahnfirst Part-conductor track
- 66
- zweite Teil-Leiterbahnsecond Part-conductor track
- 77
- TemperaturmessvorrichtungTemperature measuring device
- 88th
- zweite Leiterbahnsecond conductor path
- 8a8a
- EndeThe End
- 8b8b
- EndeThe End
- 1010
- dritte Teil-Leiterbahnthird Part-conductor track
- 1212
- vierte Teil-Leiterbahnfourth Part-conductor track
- 1414
- dritte Leiterbahnthird conductor path
- 1616
- fünfte Teil-Leiterbahnfifth Part-conductor track
- 1818
- sechste Teil-Leiterbahnsixth Part-conductor track
- 2020
- vierte Leiterbahnfourth conductor path
- 2222
- siebte Teil-Leiterbahnseventh Part-conductor track
- 2424
- achte Teil-Leiterbahneighth Part-conductor track
- 3030
- Temperatursensortemperature sensor
- 3232
- Temperatursensortemperature sensor
- 3434
- Temperatursensortemperature sensor
- 3636
- Temperatursensortemperature sensor
- 4040
- Leiterbahnconductor path
- 4242
- Leiterbahnconductor path
- 4444
- Leiterbahnconductor path
- 4646
- EndeThe End
- 4848
- EndeThe End
- 5050
- Bauteilcomponent
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - DD 269909 A1 [0016] - DD 269909 A1 [0016]
- - DE 102006021423 A1 [0016] DE 102006021423 A1 [0016]
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20131026 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |