DE102022203771A1 - Messeinrichtung und Messverfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (2) zur Messung einer Axialkraft, umfassend eine axialkraftabhängig elastisch deformierbare Messscheibe (6), welche zwischen einem Druckstück (10) und einem Widerlager (14) angeordnet ist, wobei die Messeinrichtung (2) einen mit der Messscheibe (6) mechanisch verbundenen Wellenleiter (52) für elektromagnetische Wellen umfasst, dessen Länge sich infolge der Deformation der Messscheibe (6) verändert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Messung einer Axialkraft, umfassend eine axialkraftabhängig elastisch deformierbare Messscheibe, welche zwischen einem Druckstück und einem Widerlager angeordnet ist. Sie betrifft weiterhin ein entsprechendes Messverfahren.
  • In vielen technischen Bereichen ist es erforderlich, eine axial wirkende Kraft zu messen. Dies betrifft insbesondere auch Bremssysteme für Kraftfahrzeuge mit elektromechanischen Bremsen (EMB). Diese Bremsen kommen in brake-by-wire-Bremssystemen zu Einsatz, bei denen ein Fahrerbremswunsch mit Hilfe eines (insbesondere nicht hydraulischen) Bremspedals erfasst wird. In Abhängigkeit von dem erfassten Fahrerbremswunsch wird in den elektro-mechanischen Bremsen durch einen Aktuator eine Bremsbetätigungskraft elektromotorisch erzeugt und mechanisch auf Bremsbeläge übertragen, die mit dieser Kraft gegen einen mit dem Rad verbundenen Rotor gepresst werden. Die dabei auftretenden erheblichen Kräfte wirken in einem geschlossenen Kraftfluss, der von Teilen des Aktuators, den Bremsbelägen und Teilen des Rotors bereitgestellt wird. An einer geeigneten Stelle in diesem Kraftfluss ist ein Kraftsensor angeordnet, der dazu dient, die auf die Bremsscheibe ausgeübte Kraft genau zu messen, damit ein Regelsystem mit dieser Sensorinformation eine geeignete Ansteuerung des Motors vornehmen kann, um die die Bremsbetätigungskraft entsprechend dem Fahrerbremswunsch einzustellen.
  • Aus dem Stand der Technik sind spezielle Unterlegscheiben zur Kraftmessung bekannt. Bei diesen Unterlegscheiben wird die elastische Deformation der Scheibe mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen erfasst. Nachteilig dabei sind das störanfällige Messprinzip mit Widerstandsmessbrücken und die Notwendigkeit einer Kalibrierung der Deformations-Erfassung.
  • Aus der EP 2 546 625 B1 ist eine Kraftsensorbaugruppe bekannt, mit einem Kraftring der mit mindestens zwei Erfassungselementen versehen ist, die gestaltet sind, um die Verformung des Kraftrings zu erfassen, mit einer Leiterplatte mit Elektronikkomponenten, einer Abdeckplatte und einem Sensordeckel, der die Leiterplatte und die Abdeckplatte abdeckt und an dem Kraftring angebracht ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine besonders robuste und genaue Messung einer Axialkraft ermöglicht. Weiterhin soll ein entsprechendes Messverfahren angegeben werden.
  • In Bezug auf die Messeinrichtung wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Messeinrichtung einen mit der Messscheibe mechanisch verbundenen Wellenleiter für elektromagnetische Wellen umfasst, dessen Länge sich infolge der Deformation der Messscheibe verändert.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass das Messprinzip eine ungleichförmige Verteilung der zu messenden Kraft tolerieren sollte, robust gegen elektromagnetische Störungen sein sollte und keine Kalibrierung der Deformationserfassung benötigen sollte.
  • Wie nunmehr erkannt wurde, ist aufgrund der Rotationssymmetrie der Messscheibe eine Anordnung des Wellenleiters in einem ringförmigen Abschnitt der Messscheibe oder eines mit der Messscheibe verbundenen Wellenleiterträgers besonders geeignet, um ihn mit einer Messscheibe mechanisch zu verkoppeln, wenn die Messscheibe so gestaltet ist, dass eine kraftbedingte axiale Deformation der Messscheibe eine Umfangsänderung dieses ringförmigen Abschnitts der Messscheibe zur Folge hat.
  • Ein solcher ringförmiger Abschnitt einer Messscheibe hat den Vorteil, dass seine Umfangsänderung vom Flächenintegral der Flächenpressung der Messscheibe abhängt, wodurch das Messprinzip prinzipiell einen über eine mögliche ungleichförmige Kraftverteilung gemittelten Kraftwert liefert. Somit toleriert das Messprinzip eine ungleichförmige Kraftverteilung. Die zur Messung der Umfangsänderung verwendeten Mikrowellen sind robust gegen externe elektromagnetische Störungen und in der Mikrowellentechnik sind Methoden zur messtechnischen Bestimmung der Länge eines Wellenleiters und der Länge von Wellenleiterabschnitten bekannt, in die aus physikalischer Sicht lediglich die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit eingeht. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen eine bekannte Konstante ist, benötigt eine solche Längenmessung keine Kalibrierung. Die Messeinrichtung kann in einer elektromechanischen Bremse (EMB) eingesetzt werden, beispielsweise zur messtechnischen Erfassung einer Aktuatorkraft.
  • Die Messeinrichtung umfasst die deformierbare Messscheibe, das Druckstück und das Widerlager. Die Länge des Wellenleiters, der ein eindimensionales, die Ausbreitung einer Welle ermöglichendes Kontinuum darstellt, ist infolge der Deformation der Messscheibe variabel. Die zu erfassende axial wirkende Kraft deformiert die Kraftmessscheibe.
  • Vorteilhafterweise ist der Wellenleiter dazu eingerichtet, dass sich stehende Wellen auf bzw. in ihm ausbilden können. Die Resonanzfrequenzen stehender Wellen hängen in bekannter Weise von der in dieser Anwendung variablen Länge des Wellenleiters und der konstanten Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ab. Daher kann mittels einer Resonanzfrequenzmessung die Länge des Wellenleiters bestimmt werden. Hochgenaue Frequenzmessungen erfordern wenig technischen Aufwand und sind sehr robust gegen Störeinflüsse. Auf diese Weise wird eine besonders präzise Messung der Länge des Wellenleiters ermöglicht.
  • In einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wellenleiter zwei, die Wellen reflektierenden Enden. Diese Ausführungsform kann verwendet werden, um auf dem ringförmigen Abschnitt der Messscheibe mehrere ringsegmentförmige Wellenleiterabschnitte anzuordnen. Jedem dieser vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang verteilten Wellenleiterabschnitte kann durch eine Resonanzfrequenzmessung eine Länge beziehungsweise eine kraftabhängige Längenänderung zugeordnet werden. Aus einer gegebenenfalls unterschiedlichen Längenänderung infolge einer Krafteinwirkung kann auf eine nicht gleichförmige Kraftverteilung geschlossen werden.
  • In einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wellenleiter als Ringwellenleiter ausgebildet, der insbesondere den gesamten ringförmigen Abschnitt der Messscheibe umschließt. Ein solcher Ringwellenleiter hat den Vorteil, dass seine Umfangsänderung vom Flächenintegral der Flächenpressung der Messscheibe abhängt, wodurch das Messprinzip einen über eine mögliche ungleichförmige Kraftverteilung gemittelten Kraftwert liefert.
  • Selbstverständlich können beide Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann ein geschlossener Ringwellenleiter mit drei ringsegmentförmigen Wellenleiterabschnitten kombiniert werden.
  • Der Wellenleiter ist bevorzugt als ein Mikrowellen-Streifenleiter ausgebildet, welcher aus einem leitfähigen Streifen besteht, der durch ein dielektrisches Substrat von einer leitfähigen Fläche getrennt ist. Die leitfähige Fläche des Mikrostreifenleiters ist dabei vorzugsweise als ein leitfähiger Ring bzw. eine Rückleitungsplatte ausgebildet. Solche Mikrowellen-Streifenleiter werden in der Mikrowellentechnik gerne verwendet, weil sie sich als einfach herzustellende, robuste Bauelemente bewährt haben.
  • Der leitfähige Ring ist in einer bevorzugten Ausführungsform mit der Messscheibe mechanisch verbunden, sodass eine einfache Fertigung des leitfähigen Ringes ermöglicht wird. Er kann dazu insbesondere auf die Messscheibe aufgeschrumpft, aufgeschoben oder aufgeklebt sein. Alternativ kann ein ringförmiger Oberflächenabschnitt der Messscheibe selbst als leitfähiger Ring fungieren.
  • Die Erfindung beruht daher auf der Überlegung, dass die Deformation der Messscheibe als Maß für die Kraft erfasst werden sollte. Ein geeignetes Deformationsmaß der Scheibe sollte gut auf eine axiale Deformation der Scheibe ansprechen aber gleichzeitig unempfindlich gegen einen Fluchtungsfehler zwischen Kraft und Symmetrieachse der Scheibe sein. Im Folgenden werden zwei mögliche Umfangsmaße vorgestellt, die diese Forderung erfüllen, nämlich der Umfang eines in einen V-förmigen Rand der Messscheibe eingebrachten, umlaufenden Elastomerkörpers bzw. Elastomerpolsters oder der Umfang einer in oder an der Messscheibe ausgebildeten, umlaufenden Auflagefläche.
  • In bevorzugten Ausführungsformen ist der leitfähige Ring als ein Teil der Messscheibe ausgebildet oder über ein vorzugsweise, um die Deformation der Messscheibe möglichst gut in eine Aufweitung des Rings umzusetzen, inkompressibles, Elastomerpolster auf der Messscheibe gebettet. Dazu ist bevorzugt insbesondere eine sich in radialer Richtung öffnende radiale Aussparung der Messscheibe vorgesehen. Vorteilhafterweise ist die radiale Aussparung im Querschnitt gesehen V-förmig ausgebildet.
  • In einer anderen vorteilhaften Variante ist die Messscheibe im Querschnitt gesehen in radialer Richtung L-förmig ausgebildet mit einem äußeren Kragen, der auf dem Widerlager aufsitzt und mit einem radial darin innen angeordneten inneren Kragen, auf dem eine oder mehrere Mikrowellen-Streifenleitungen angeordnet sind.
  • Die Messeinrichtung umfasst vorteilhafterweise eine Elektronikeinheit und eine Koppelleitung zur Überbrückung eines räumlichen Abstands zwischen der Elektronikeinheit und dem Wellenleiter, über welche die Elektronikeinheit auf dem Wellenleiter eine stehende elektromagnetische Welle erzeugt, indem die Elektronikeinheit ein elektrisches Schwingungssignal erzeugt und dessen Frequenz fortlaufend auf die Resonanzfrequenz des Wellenleiters abstimmt. Auf diese Weise ist eine besonders präzise Längenbestimmung der aktuellen Länge des Wellenleiters möglich. Zur Auswertung mehrerer Resonatoren genügt dabei eine einzelne Koppelleitung, indem jeder der Resonatoren mit einer Grundlänge ausgestattet wird, die von den anderen unterschiedlich ist. Anhand der daraus resultierenden unterschiedlichen Grundfrequenzen können die im Lastfall entstehenden Frequenzhübe mittels einer Spektralanalyse der überlagerten Resonanzantworten voneinander separiert werden. Zur Auswertung der einzelnen Frequenzhübe wird bevorzugt die bekannte Phase Locked Loop (PLL) Regelung auf einer dezidiert für diesen Zweck gebauten PLL-Elektronikchip-Hardware verwendet. Bevorzugt ist die Elektronikeinheit als Mikrochip ausgebildet.
  • Vorteilhafterweise umfasst die Elektronikeinheit eine Einheit zur Erfassung der Schwingungssignal-Frequenz und zur fortlaufenden Ausgabe eines diese Frequenz charakterisierenden Sensorsignals oder eines daraus abgeleiteten Signalwerts. Die Schwingungssignal-Frequenz ist dabei die Resonanzfrequenz aufgrund einer automatischen PLL-gesteuerten Frequenznachführung. Die fortlaufende Ausgabe erfolgt bevorzugt analog kontinuierlich oder, besonders bevorzugt, zyklisch digital, beispielsweise mit einer Ausgaberate von einem aktuellen Signalwert pro Millisekunde.
  • Die Messscheibe weist bevorzugt eine Durchführung auf zur Durchführung eines Verbindungskabels zur Elektronikeinheit.
  • Bevorzugt umfasst die Messeinrichtung einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Messscheibe, der in die Elektronikeinheit integriert ist. Da die Temperaturdehnung der Kraftmessscheibe eine Störgröße in der Wirkkette von der Kraft zum Kraftsignal ist, kann auf diese Weise die Temperatur der Kraftmessscheibe gemessen und der Temperatureinfluss signaltechnisch kompensiert werden.
  • Bevorzugt sind auf der elastischen Messscheibe mehrere mit der Messscheibe mechanisch verbundene Mikrowellen-Resonatoren angeordnet, deren Längenänderungen erfasst werden.
  • Dabei sind vorteilhafterweise wenigstens zwei der mehreren Mikrowellen-Resonatoren mit einer gemeinsamen Koppelleitung an die Elektronikeinheit bzw. den Mikrochip angeschlossen.
  • In Bezug auf das Verfahren wird die oben genannte Aufgabe gelöst, indem über das Druckstück eine elastisch verformbare Messscheibe gegen ein fest angeordnetes Widerlager gedrückt wird, wobei an der Messscheibe eine ringförmige Messleitung, insbesondere eine Mikrowellen-Streifenleitung angeordnet ist, derart, dass durch die eine Verformung der Messscheibe die Ringlänge der Streifenleitung verändert wird, und wobei in die Streifenleitung elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikrowellen, eingekoppelt werden, und wobei eine Resonanzfrequenz der Wellen in der Streifenleitung bestimmt wird, und wobei aus der gemessenen Resonanzfrequenz die Längenänderung als ein Maß für die zu erfassende Kraft berechnet wird.
  • Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass das Messprinzip der erfindungsgemäßen Messeinrichtung äußerst robust gegen elektromagnetische Störungen ist und die Messkette zur Deformations-Erfassung keine Kalibrierung benötigt, sodass eine zuverlässige Bereitstellung eines die Axialkraft repräsentierenden Signals realisiert wird.
  • Die Messeinrichtung kann in einer EMB zur Messung einer Aktuatorkraft und/oder zur Spannkraftmessung eingesetzt werden, sodass präzise Bremsvorgänge ausgeführt werden können und die Sicherheit der Insassen des Fahrzeuges erhöht wird.
  • Die verwendeten Bauteile sind einfach und kostengünstig. Auch die elektronische Schaltung zur Erzeugung der Mikrowellen und zur Auswertung der Resonanzen ist weitaus kostengünstiger als eine Auswerteschaltung für Dehnungsmessstreifen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
    • 1 eine Messeinrichtung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einem kraftfreien Zustand,
    • 2 die Messeinrichtung gemäß 1 mit einer wirkenden Axialkraft,
    • 3 die Messeinrichtung gemäß 1 mit einer größeren Axialkraft,
    • 4 eine vergrößerte Darstellung aus 1,
    • 5 eine vergrößerte Darstellung aus 2,
    • 6 eine vergrößerte Darstellung aus 3,
    • 7 eine weitere vergrößerte Darstellung aus 1,
    • 8 eine Messeinrichtung in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform in einem kraftfreien Zustand,
    • 9 die Messeinrichtung gemäß 8 mit einer wirkenden Axialkraft,
    • 10 die Messeinrichtung gemäß 8 mit einer größeren Axialkraft,
    • 11 eine vergrößerte Darstellung aus 8,
    • 12 eine vergrößerte Darstellung aus 9,
    • 13 eine vergrößerte Darstellung aus 10,
    • 14 eine weitere vergrößerte Darstellung aus 8, und
    • 15 eine ausschnittsweise Darstellung einer Messeinrichtung mit dargestellter Kabeldurchführung.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 bis 7 zeigen eine Messeinrichtung 2 in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Messeinrichtung 2 umfasst eine Messchreibe 6, welche in axialer Richtung 8 gesehen zwischen einem Druckstück 10 und einem Widerlager 14 angeordnet ist. Die Messscheibe 6 weist eine V-förmige radiale Aussparung 18 auf, in der ein Elastomerkörper 22 angeordnet ist. In radialer Richtung 26 sind auf dem Elastomerkörper 22 angeordnet ein Tragring 30, eine Rückleitungsplatte 36, ein Substrat 44 und ein Messstreifen 48.
  • Die Rückleitungsplatte 26, das Substrat 44 und der Messstreifen 48 bilden einen Wellenleiter 52, der vorliegend als Mikrowellen-Streifenleiter 56 ausgebildet ist. Der Wellenleiter 52 ist auf dem Tragring 30 aufgebracht, der durch unterschiedliche mechanische Ankopplung derart mit der Messscheibe 6 verbunden ist, dass durch eine Kraftbeaufschlagung der Messscheibe 6 der Tragring 30 mitsamt der Streifenleitung in radialer Richtung geweitet wird. Eine dabei möglicherweise auftretende kleine Verkippung des Tragrings 30 ist unerheblich, weil das Messprinzip lediglich die Ringlänge des Mess-Streifens 48 auswertet. In der gezeigten Ausführungsform ist der Tragring 30 auf dem Elastomerkörper 22 in der V-Förmigen Ausnehmung bzw. radialen Aussparung 18 der Scheibenkontur angeordnet. Bei einer Kraftbeaufschlagung der Messscheibe 6 wird der Elastomerkörper 22 in axialer Richtung 8 zusammengequetscht und verdrängt dadurch den Tragring 30 mitsamt der Streifenleitung bzw. des Mikrowellen-Streifenleiters 56 in radialer Richtung. Dieser Mechanismus ist in den 1 bis 3 bzw. den 4 bis 6 dargestellt.
  • Die 1 bzw. die 4 in Ausschnittsvergrößerung zeigt die Messeinrichtung 2 im Zustand ohne extern axial wirkende Kräfte. Die beide Pfeile zeigen dabei die axiale Richtung 8, in der eine Kraft auf das Druckstück 10 wirken kann und eine axiale Gegenrichtung 12, in der eine entgegengesetzte bzw. entgegengerichtete Kraft auf das Widerlager 14 wirken kann. In der 2 bzw. 5 wirken axiale Kräfte auf Druckstück 10 und Widerlager 14, in der 3 bzw. 6 sind diese axialen Kräfte noch größer. Wie in den 1 bis 6 erkennbar ist, führen die Axialkräfte bzw. der entstehende Druck auf Druckstück 10 und Widerlager 14 dazu, dass sich die radiale Aussparung einengt und der Elastomerkörper 22 sich elastisch verformt und weiter in der radialen Richtung 26 ausdehnt. Dadurch vergrößert sich die Länge des Wellenleiters 52.
  • Eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Messeinrichtung 2 ist in den 8 bis 14 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Messscheibe in einem radial äußeren Abschnitt 60 mit einem ringförmigen Vorsprung 68 ausgebildet, der im Längsschnitt in axialer Richtung von der Scheibe 6 auskragt. Zur Abstützung der Scheibe auf dem Widerlager 14 kann ein weiterer, von der Scheibe auskragender, ringförmiger Vorsprung 64 ausgebildet sein. Der Tragring 30 ist direkt auf dem ringförmigen Abschnitt 68 der Messscheibenkontur angeordnet. Ein Elastomerkörper 22, wie er bei der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, wird nicht benötigt.
  • Der ringförmige Vorsprung zur Abstützung kann auch als ein äußerer Kragen 64 und der ringförmige Vorsprung zur Aufnahme des Tragrings 30 kann auch als einen radial innen dazu angeordneten innerer Kragen 68 bezeichnet werden. Die beiden Kragen 64, 68 verlaufen parallel. Der Tragring 30 und der Wellenleiter 52 sind auf dem inneren Kragen 64 angeordnet. Mit zunehmend größer werdender Axialkraft, dargestellt in 8 bis 10 bzw. 11 bis 13, verbiegt sich die Scheibe wodurch sich der innere Kragen aufweitet, in den Darstellungen dadurch sichtbar, dass sich seine Schnittkontur zum äußeren Kragen 64 hin bewegt, wodurch die Länge des Wellenleiters 52 vergrößert wird. Eine entsprechende Aufweitung des äußeren Kragens wird dadurch vermieden, dass der äußere Kragen deutlich massiver, mit größerer Querschnittsfläche ausgebildet ist.
  • In beiden oben gezeigten Ausführungsformen wird die Größe der Axialkraft bestimmt, indem die Änderungen der Länge des Wellenleiters 52 gemessen werden. Dazu ist der Wellenleiter an eine Elektronikeinheit 76 angeschlossen. In 15 ist beispielhaft gezeigt, wie der Wellenleiter 52 bzw. der Resonanzring elektrisch angeschlossen werden kann. Die Mikrowellen werden in einem handelsüblichen Mikrochip 72 erzeugt, der als Elektronikeinheit 76 fungiert. Der Mikrochip 72 ist über eine Koppelleitung durch elektrisch leitende Streifen oder Drähte 84 an die Rückleitungsplatte 36 und den Ringstreifen bzw. Messstreifen 48 angeschlossen. Dabei ist insbesondere für einen elektromagnetischen Anschluss an den Ringstreifen keine galvanische Verbindung erforderlich. Es kann die in der Mikrowellentechnik übliche kapazitive Kopplung 80 mithilfe der dielektrischen Eigenschaften des Substrats 44 verwendet werden.
  • Der Mikrochip 72 leitet geeignete Mikrowellen in den Resonanzring ein und ermittelt dessen Resonanzfrequenz. Das Ergebnis wird vom Mikrochip 72 vorzugsweise über ein digitales Signal zur Verfügung gestellt. Dazu ist in der Messscheibe 6 eine Kabeldurchführung 88 vorgesehen, durch welche ein Anschlusskabel 92 für den Mikrochip 72 geführt ist. Das Anschlusskabel 92 dient bevorzugt sowohl der elektrischen Versorgung des Mikrochips 72 und gleichzeitig als Signalkabel für das von dem Mikrochip generierte Signal, welches die Größe der Axialkraft repräsentiert.
  • Das Deformationsmaß wird somit in Form der Länge einer um den Messumfang gelegten elektrischen Leitung, des Wellenleiters 52, erfasst. Vorgeschlagen wird die Ausbildung der elektrischen Messleitung als Mikrowellen-Streifenleiter 56 bestehend aus Rückleitungs-Grundplatte bzw. Rückleitungsplatte 36, dem dielektrischem Substrat 44 und dem Leitungs-Streifen bzw. Messstreifen 48. Als ein bewährtes Messprinzip zur Erfassung der Länge einer elektrischen Leitung wird die Erfassung einer Resonanzfrequenz elektromagnetischer Wellen auf der Leitung verwendet.
  • Das Mikrowellen-Resonanz-Messprinzip ist robust und langzeitstabil. Jedoch ist die Temperaturdehnung der Kraftmessscheibe bzw. Messscheibe 6 eine Störgröße in der Wirkkette von der Kraft zum Kraftsignal. Daher wird die Temperatur der Kraftmessscheibe bevorzugt gemessen und der Temperatureinfluss wird signaltechnisch kompensiert. Ein entsprechender Temperatursensor ist vorzugsweise in den Mikrowellenchip 72 integriert oder an diesen angeschlossen. Die Temperaturkompensation erfolgt entweder direkt auf dem Chip oder die Temperaturinformation wird mit zusammen mit einem unkompensierten Längenänderungs-Signal über das Anschlusskabel 92 ausgegeben.
  • Beispielhaft ist die Wellenlänge der im Wellenleiter 52 zirkulierenden elektromagnetischen Wellen 50 nm. Die Längenänderung des Wellenleiters unter maximaler Axialkraft beträgt dabei beispielsweise 1 mm. Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen ist ca. die Lichtgeschwindigkeit c = 300000 km/s = 3 × 1011 mm/s. Die gewünschte Auflösung beträgt 1/500 mm = 0,002 mm. Als Resonanzfrequent ist f = 3 GHz gewählt. Der Frequenzhub für einen Auflösungsschritt beträgt demnach Δf = 120 kHz. Vorteilhafterweise werden elektromagnetische Wellen zwischen 1 und 300 GHz verwendet, die sogenannten Mikrowellen. Eine Frequenzauflösung von 120 kHz ist problemlos realisierbar.
  • Bezugszeichenliste
  • 2
    Messeinrichtung
    6
    Messscheibe
    8
    axiale Richtung
    10
    Druckstück
    12
    axiale Gegenrichtung
    14
    Widerlager
    18
    radiale Aussparung
    22
    Elastomerkörper
    26
    radiale Richtung
    30
    Tragring
    36
    Rückleitungsplatte
    44
    Substrat
    48
    Messstreifen
    52
    Wellenleiter
    56
    Mikrowellen-Streifenleiter
    60
    radial äußerer Abschnitt der Messscheibe
    64
    äußerer Kragen
    68
    innerer Kragen
    72
    Mikrochip
    76
    Elektronikeinheit
    80
    kapazitive Kopplung
    84
    Draht
    88
    Kabeldurchführung
    92
    Anschlusskabel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2546625 B1 [0004]

Claims (15)

  1. Messeinrichtung (2) zur Messung einer Axialkraft, umfassend eine axialkraftabhängig elastisch deformierbare Messscheibe (6), welche zwischen einem Druckstück (10) und einem Widerlager (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (2) einen mit der Messscheibe (6) mechanisch verbundenen Wellenleiter (52) für elektromagnetische Wellen umfasst, dessen Länge sich infolge der Deformation der Messscheibe (6) verändert.
  2. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter (52) dazu eingerichtet ist, dass sich stehende Wellen auf ihm ausbilden können.
  3. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 2, wobei der Wellenleiter (52) zwei, die Wellen reflektierenden Enden, umfasst.
  4. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 2, wobei der Wellenleiter (52) als Ringwellenleiter ausgebildet ist.
  5. Messeinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Wellenleiter (52) als ein Mikrowellen-Streifenleiter (56) ausgebildet ist, der aus einem leitfähigen Streifen (48) besteht, der durch ein dielektrisches Substrat (44) von einer leitfähigen Fläche (36) getrennt ist.
  6. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 5 in Verbindung mit Anspruch 4, wobei die leitfähige Fläche (36) des Mikrowellen-Streifenleiters (56) als ein leitfähiger Ring ausgebildet ist.
  7. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 6, wobei der leitfähige Ring mit der Messscheibe (6) mechanisch verbunden ist.
  8. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 6, wobei der leitfähige Ring als ein Teil der Messscheibe (6) ausgebildet ist oder wobei der leitfähige Ring über ein Elastomerpolster (22) auf der Messscheibe (6) gebettet ist
  9. Messeinrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Elektronikeinheit (76) und eine Koppelleitung (84) zur Überbrückung eines räumlichen Abstands zwischen Elektronikeinheit (76) und Wellenleiter (52), über welche die Elektronikeinheit (76) auf dem Wellenleiter (52) eine stehende elektromagnetische Welle erzeugt, indem die Elektronikeinheit (76) ein elektrisches Schwingungssignal erzeugt und dessen Frequenz fortlaufend auf die Resonanzfrequenz des Wellenleiters (52) abstimmt.
  10. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 9, wobei die Elektronikeinheit (76) eine Einheit zur Erfassung der Schwingungssignal-Frequenz und zur fortlaufenden Ausgabe eines diese Frequenz charakterisierenden Sensorsignals oder eines daraus abgeleiteten Signalwerts umfasst.
  11. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 9 oder 10, umfassend einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Messscheibe (6), der in die Elektronikeinheit (76) integriert ist.
  12. Messeinrichtung (2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei auf der elastischen Messscheibe (2) mehrere mit der Messscheibe (2) mechanisch verbundene Mikrowellen-Resonatoren angeordnet sind, deren Längenänderungen erfasst werden.
  13. Messeinrichtung (2) nach Anspruch 12, wobei wenigstens zwei der mehreren Mikrowellen-Resonatoren mit einer gemeinsamen Koppelleitung an die Elektronikeinheit (76) angeschlossen sind.
  14. Verfahren zur Messung einer auf ein Druckstück (10) wirkenden Kraft, wobei über das Druckstück (10) eine elastisch verformbare Messscheibe (6) gegen ein fest angeordnetes Widerlager (14) gedrückt wird, und wobei an der Messscheibe (6) eine ringförmige Messleitung, insbesondere Mikrowellen-Streifenleitung (56), angeordnet ist, derart, dass durch die eine Verformung der Messscheibe (6) die Ringlänge der Streifenleitung (56) verändert wird, und wobei in die Streifenleitung elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikrowellen, eingekoppelt werden, und wobei eine Resonanzfrequenz der Wellen in der Streifenleitung (56) bestimmt wird, und wobei aus der gemessenen Resonanzfrequenz die Kraft berechnet wird.
  15. Verfahren zur Messung einer auf ein Druckstück (10) wirkenden Kraft mittels mehrerer Mikrowellen-Resonatoren, von denen zumindest zwei eine unterschiedliche Grundlänge aufweisen und beide mit einer gemeinsamen Koppelleitung an einen Mikrochip angeschlossen sind, wobei im Mikrochip die überlagerten Resonanzantworten mittels einer Spektralanalyse voneinander separiert werden.
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