DE102016111879A1 - Unidirectionally sensitive sensor for measuring deformations and brake with such a sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen unidirektional sensitiven Messaufnehmer (1) zur Messung von Verformungen in einer Messrichtung (300) über eine Widerstandsänderung mit einer Gitterstruktur (100), welche auf einem Tragkörper (200) aufgebracht ist. Der Messaufnehmer (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die Gitterstruktur (100) mindestens vier Dehnungsmessgitter (110, 111, 120, 121) in einer Wheatstoneschen Brückenanordnung aufweist, wobei die Dehnungsmessgitter (110, 111, 120, 121) paarweise unterschiedliche Leiterstrukturen aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bremse, die mindestens einen solchen Messaufnehmer (1) aufweist.The invention relates to a unidirectionally sensitive measuring sensor (1) for measuring deformations in a measuring direction (300) by means of a change in resistance with a grid structure (100) which is applied to a carrier body (200). The sensor (1) is characterized in that the grid structure (100) has at least four strain gauges (110, 111, 120, 121) in a Wheatstone bridge arrangement, the strain gauges (110, 111, 120, 121) having different conductor structures in pairs , The invention further relates to a brake which has at least one such sensor (1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen unidirektional sensitiven Messaufnehmer zur Messung von Verformungen in einer Messrichtung über eine Widerstandsänderung mit einer Gitterstruktur, welche auf einem Tragkörper aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Bremse mit einem solchen Messaufnehmer.The invention relates to a unidirectionally sensitive sensor for measuring deformations in a measuring direction via a resistance change with a grid structure, which is applied to a support body. The invention further relates to a brake with such a sensor.
Messaufnehmer für auf Kräfte bezogene Verformungsmessungen sind in vielen unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Dabei werden häufig Dehnungsmessstreifen verwendet.Sensors for force related deformation measurements are known in many different designs. Strain gauges are often used.
Derartige Messaufnehmer mit z. B. elektrisch aufgedampftem Dünnschichtgitter sind beispielsweise als Scherkraftsensoren ausgelegt und dienen zur Kraftermittlung aus Verformungen (z. B. Dehnungen) an oder in einer kraftführenden Struktur bzw. Strukturbauteil anhand von Widerstandsänderungen. Ein solches Strukturbauteil kann beispielsweise ein Achskörper, eine Wandung, ein Bauteil einer Bremse usw. sein.Such sensors with z. B. electrically vapor-deposited thin-film gratings are designed for example as shear force sensors and are used for force determination from deformations (eg strains) on or in a force-carrying structure or structural component based on resistance changes. Such a structural component can be, for example, an axle body, a wall, a component of a brake, etc.
Die Druckschrift
Ein geeigneter Sensor weist häufig eine Vorzugsrichtung auf, in der er empfindlicher ist als in anderen Richtungen. Vorteilhafterweise ist der Sensor sogar im Wesentlichen nur in eine Richtung sensitiv (unidirektional). Dieses gelingt beispielsweise, indem der Sensor bifilar ausgebildet ist und querkontraktionskompensiert ist. Nachteilig bei einem derartigen Sensor ist jedoch, dass Änderungen der Umgebungsbedingungen, beispielsweise Temperaturschwankungen, das Messergebnis stark beeinflussen.A suitable sensor often has a preferred direction in which it is more sensitive than in other directions. Advantageously, the sensor is even substantially sensitive only in one direction (unidirectional). This succeeds, for example, in that the sensor is bifilar and is compensated for transverse contraction. However, a disadvantage of such a sensor is that changes in the ambient conditions, for example temperature fluctuations, strongly influence the measurement result.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten unidirektional sensitiven Messaufnehmer zu schaffen, bei dem das Messergebnis möglichst wenig von Umgebungsparametern, insbesondere einer Umgebungstemperatur beeinflusst wird.It is an object of the invention to provide an improved unidirectionally sensitive sensor in which the measurement result is influenced as little as possible by ambient parameters, in particular an ambient temperature.
Es ist eine weitere Aufgabe, eine Bremse mit verbesserter Kraftmessung bereitzustellen.It is another object to provide a brake with improved force measurement.
Die Aufgabe wird durch einen Messaufnehmer bzw. eine Bremse mit einem Messaufnehmer mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved by a sensor or a brake with a sensor with the respective features of the independent claims.
Ein erfindungsgemäßer Messaufnehmer der eingangs genannten Art weist eine Gitterstruktur mit mindestens vier Dehnungsmessgittern in einer Wheatstoneschen Brückenanordnung auf, wobei die Dehnungsmessgitter paarweise unterschiedliche Leiterstrukturen aufweisen. Durch die Anordnung der vier Dehnungsmessgitter in einer Wheatstonesche Brücke ist eine optimale Kompensation von Umwelteinflüssen, die sich gleichermaßen auf alle Dehnungsmessgitter auswirken, gegeben, insbesondere eine optimale Temperaturkompensation. Die paarweise unterschiedliche Leiterstruktur bedingt paarweise unterschiedliche Widerstandsänderungen bei Dehnung oder Kontraktion in einer Messrichtung, die zu einer Messspannung an einem Ausgang der Brückenanordnung führt.An inventive sensor of the type mentioned has a grid structure with at least four strain gauges in a Wheatstone bridge arrangement, wherein the strain gauges have pairs of different conductor structures. The arrangement of the four strain gauges in a Wheatstone bridge, an optimal compensation of environmental influences that affect equally on all strain gauges, given, in particular optimal temperature compensation. The pairwise different conductor structure requires pairwise different resistance changes during stretching or contraction in a measuring direction, which leads to a measuring voltage at an output of the bridge arrangement.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist ein Paar der Dehnungsmessgitter eine Leiterstruktur auf, bei der eine Anzahl von untereinander parallel und voneinander beabstandet angeordneten elektrisch leitenden Längsleitern vorhanden ist, die jeweils in einer elektrischen Reihenschaltung durch relativ kurze Verbindungsstücke hintereinander elektrisch leitend verbunden sind und in der Messrichtung des Messaufnehmers verlaufen. Die Längsleiter können somit in ihrer Längsrichtung die Erfassung der Verformung in gleicher Richtung ausführen. Bezogen auf ihre gesamte Leiterlänge weisen diese Dehnungsmessgitter mit einer mäanderförmigen Leiterstruktur eine große Widerstandsänderung bei Verformung in der Messrichtung auf.In an advantageous embodiment, a pair of strain gauges has a conductor structure in which there are a number of electrically conductive longitudinal conductors arranged parallel to each other and spaced apart from one another, which are each electrically connected in series in an electrical series connection by relatively short connecting pieces and in the measuring direction of Sensor run. The longitudinal conductors can thus perform in their longitudinal direction, the detection of the deformation in the same direction. Based on their total conductor length, these strain gauges with a meander-shaped conductor structure have a large change in resistance when deformed in the direction of measurement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist ein weiteres Paar der Dehnungsmessgitter eine Leiterstruktur auf, bei der zwei Leiter nebeneinander in einem bestimmten Abstand schneckenförmig angeordnet sind. Eine Struktur mit zwei nebeneinander in einem bestimmten Abstand verlaufenden Leitern wird auch als bifilare Struktur bezeichnet. Dabei kann die gebildete Schnecke bevorzugt eine rechteckige Grundform aufweisen, bei der Abschnitte der Leiter in der Messrichtung und weitere Abschnitte quer, insbesondere senkrecht zur Messrichtung verlaufen. Besonders vorteilhaft ist ein derartiges Dehnungsmessgitter querkontraktionskompensiert. Bei einem solchen Dehnungsmessgitter ist das Verhältnis der Leiterlängen (d. h. die Summe der Längen der entsprechenden Abschnitte) in der Messrichtung zur Leiterlänge senkrecht zur Messrichtung umgekehrt proportional zur Querkontraktion eines zu messenden Werkstoffs. Als Folge führt eine Verformung senkrecht zur Messrichtung nicht zu einer Widerstandsänderung.In a further advantageous embodiment, another pair of strain gauges has a conductor structure in which two conductors are arranged helically next to one another at a certain distance. A structure with two conductors running next to each other at a certain distance is also called a bifilar structure. In this case, the formed screw may preferably have a rectangular basic shape in which sections of the conductors in the measuring direction and further sections transversely, in particular perpendicular to the measuring direction. Such a strain gage is particularly advantageously compensated for transverse contraction. In such a strain gauge, the ratio of the conductor lengths (ie the sum of the lengths of the respective sections) in the measuring direction to the conductor length perpendicular to the measuring direction is inversely proportional to the transverse contraction of a material to be measured. As a result, leads a Deformation perpendicular to the measuring direction does not lead to a resistance change.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, das Paar der Dehnungsmessgitter mit der mäanderförmigen Leiterstruktur in einer Richtung quer, insbesondere senkrecht zur Messrichtung nur reduzierten Verformungen auszusetzen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Tragkörper einen plattenförmigen Grundkörper, auf dem die Gitterstruktur aufgebracht ist, auf. Dies ergibt einerseits den Vorteil einer einfachen Handhabbarkeit der Gitterstruktur und andererseits den Vorteil einer Anpassung des Messaufnehmers an unterschiedliche Einbaubedingungen. Dabei wird eine Verformung des Grundkörpers auf das oder die Dehnungsmessgitter übertragen. Zur Reduzierung der Verformungen der Dehnungsmessgitter weist der Grundkörper bevorzugt Einschnitte auf, die die Dehnungsmessgitter umgeben. Durch die Einschnitte wird der Bereich des Grundkörpers, in dem die Dehnungsmessgitter angeordnet ist, weniger stark verformt als andere Bereiche. Die Einschnitte umgeben die Dehnungsmessgitter bevorzugt klammerartig. Die Einschnitte können gerade, gewinkelt oder auch bogenförmig ausgebildet sein. Letzteres ist insbesondere bei einer runden Grundform des Tragkörpers vorteilhaft.In a further advantageous embodiment, it is provided to expose the pair of strain gauges with the meander-shaped conductor structure in a direction transverse, in particular perpendicular to the measuring direction only reduced deformations. In an advantageous embodiment, the support body has a plate-shaped base body, on which the grid structure is applied on. On the one hand, this results in the advantage of easy handling of the lattice structure and, on the other hand, the advantage of adapting the sensor to different installation conditions. In this case, a deformation of the body is transferred to the strain gauges or. To reduce the deformations of the strain gauges, the base body preferably has notches surrounding the strain gauges. As a result of the cuts, the region of the base body in which the strain gages are arranged is less deformed than other regions. The incisions surround the strain gauges preferably clamp-like. The incisions may be straight, angled or arcuate. The latter is particularly advantageous in a round basic shape of the support body.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Gitterstruktur in einem Dünnschichtverfahren auf den Tragkörper bzw. dessen Grundkörper aufgebracht, beispielsweise aufgedampft. Damit ergibt sich ein so genannter Dünnschicht-Messaufnehmer. Dieses Verfahren ist ausgereift und weist hohe Qualitäten auf. Wenn der Tragkörper metallisch ist, wird eine elektrisch isolierende Zwischenschicht aufgebracht. Bevorzugt umfasst die Gitterstruktur neben den Dehnungsmessgittern auch deren Verschaltung zu der Wheatstoneschen Brückenanordung und/oder Anschlusspunkte zur Kontaktierung.In a further advantageous embodiment, the grid structure is applied in a thin-film process on the support body or its base body, for example, vapor-deposited. This results in a so-called thin-film sensor. This process is mature and has high qualities. If the support body is metallic, an electrically insulating intermediate layer is applied. In addition to the strain gauges, the lattice structure preferably also includes their connection to the Wheatstone bridge arrangement and / or connection points for contacting.
Einen weiteren Vorteil kann der Tragkörper dadurch bieten, dass er eine formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verdrehsicherung des Messaufnehmers in bestimmten Einbausituationen bildet.A further advantage of the support body can offer in that it forms a positive and / or cohesive anti-rotation of the sensor in certain installation situations.
Für eine Erfassung einer Verformung, die in einer Verformungsrichtung auftritt, wird der Messaufnehmer mit seiner Messrichtung in dieser Verformungsrichtung angeordnet. Dabei ist es vorteilhaft, dass eine zentrale Mittellinie durch zwei der Dehnungsmessgitter in der Messrichtung des Messaufnehmers verläuft.For detecting a deformation which occurs in a deformation direction, the sensor is arranged with its measuring direction in this deformation direction. It is advantageous that a central center line passes through two of the strain gauges in the measuring direction of the sensor.
Eine Bremse für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, weist mindestens einen oben beschriebenen Messaufnehmer auf. Damit ist eine präzise Erfassung von Verformungen und somit von in der Bremse wirkenden Kräften, z. B. Bremskraft, in einfacher Weise möglich, wobei das Messergebnis verfälschende Umgebungseinflüsse möglichst kompensiert sind.A brake for a vehicle, in particular a rail vehicle, has at least one sensor as described above. This is a precise detection of deformations and thus of forces acting in the brake, z. B. braking force, in a simple manner possible, the measurement result falsifying environmental influences are compensated as possible.
Hierbei ist vorgesehen, dass der mindestens eine Messaufnehmer in oder an einem Strukturbauteil der Bremse angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine einfache Integration des Messaufnehmers in die Bremse.It is provided that the at least one sensor is arranged in or on a structural component of the brake. This results in a simple integration of the sensor in the brake.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:The invention will now be explained in more detail by means of an embodiment with reference to the accompanying drawings. Hereby shows:
Gleiche oder ähnliche Bauteile und Funktionsgruppen sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Koordinaten x, y, z dienen zur Orientierung.Identical or similar components and functional groups are provided in the figures with the same reference numerals. Coordinates x, y, z are for orientation.
In
Die Bremse
Ein Strukturbauteil
Eine umfassende Beschreibung und ausführliche Erläuterung der Bremse
Im Folgenden werden die Bauteile und Funktionsgruppen der Bremse
Die Bremse
Das in
Bei einem Bremsvorgang durch Einwirkung der Bremskraft
Dies erfolgt zwischen dem ersten Wandabschnitt
Die x-Richtung verläuft in Längsrichtung des zweiten Wandabschnitts
Der Messaufnehmer
Der Messaufnehmer
Die Leiterstrukturen können beispielsweise aufgedampft oder aufgesputtert werden. Zur Isolierung von einem in der Regel metallischen Träger wird dabei zunächst eine isolierende Schicht aufgebracht, beispielsweise ebenfalls aufgesputtert. Eine solche Schicht kann beispielsweise keramisch sein.The conductor structures can be vapor-deposited or sputtered, for example. For the isolation of a usually metallic carrier, an insulating layer is first applied, for example also sputtered on. Such a layer may be ceramic, for example.
Die Dehnungsmessgitter
Jedes Dehnungsmessgitter
Jedes Dehnungsmessgitter
Bei den Dehnungsmessgittern
Die aufsummierte Leiterlänge in Messrichtung
Damit der Messaufnehmer
Die Dehnungsmessgitter
Bei den Dehnungsmessgittern
Mit anderen Worten ist das Verhältnis der aufsummierten Leiterlänge in der Messrichtung
Zusammenfassend entsteht damit ein Messaufnehmer
Dagegen führt eine Verformung in Messrichtung
Somit entsteht ein Messaufnehmer
Die
Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in diesen Figuren gleiche oder gleich wirkende Elemente wie bei
Der Messaufnehmer
Der Tragkörper
In dem gezeigten Beispiel ist der Grundkörper
Die Dehnungsmessgitter
Zur Entkopplung der Dehnungsmessgitter
Wie im Zusammenhang mit
Im Rahmen dieser Anmeldung wird eine Verwendung der Messaufnehmer
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Messaufnehmersensor
- 22
- Bremsebrake
- 44
- Reibbelagfriction lining
- 55
- Bremsscheibebrake disc
- 66
- ReibbelaghalterReibbelaghalter
- 77
- BremsscheibendrehachseBrake disk rotational axis
- 88th
- Zangenhebelcaliper lever
- 1010
- Nachstelleinrichtungreadjustment
- 1212
- Lagerzapfenpivot
- 1414
- Strukturbauteil/GehäuseStructural component / Housing
- 1616
- Bremszylinderbrake cylinder
- 1818
- BremszylinderdruckBrake cylinder pressure
- 2020
- Axialer AbstandAxial distance
- 2222
- RückstelleinrichtungReset device
- 2424
- Bolzenbolt
- 2626
- Konsoleconsole
- 2828
- Befestigungsbohrungmounting hole
- 3030
- Bremskraftbraking force
- 3232
- Reibungskraft/RadumfangskraftFrictional force / wheel peripheral
- 33–3533-35
- Wandabschnittwall section
- 3636
- Führungslagerguide bearing
- 3838
- Kammerchamber
- 4040
- Anschlussconnection
- 4242
- Ausnehmung/Öffnung im ersten WandabschnittRecess / opening in the first wall section
- 4444
- Äußere VerformungExternal deformation
- 4646
- Innere VerformungInner deformation
- 4848
- Gemittelte VerformungAverage deformation
- 5050
- Wandungwall
- 100100
- Gitterstrukturlattice structure
- 110–111110-111
- DehnungsmessgitterStrain gauge grid
- 120–121120-121
- DehnungsmessgitterStrain gauge grid
- 130–133130-133
- Anschlusspunktconnection point
- 140140
- Längsleiterlongitudinal conductor
- 141141
- Verbindungconnection
- 150, 151150, 151
- Leiterladder
- 152152
- Verbindungconnection
- 200200
- Tragkörpersupporting body
- 201201
- Grundkörperbody
- 202202
- Einschnittincision
- 300300
- Messrichtung/VerformungsrichtungMeasuring direction / direction of deformation
- 301, 302301, 302
- Mittelliniecenter line
- x, y, zx, y, z
- Koordinatencoordinates
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008015873 A1 [0004] DE 102008015873 A1 [0004]
- DE 102013008185 A1 [0028, 0032] DE 102013008185 A1 [0028, 0032]
Claims (15)
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- 2016-06-29 DE DE102016111879.6A patent/DE102016111879A1/en not_active Ceased
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Date | Code | Title | Description |
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |