DE10325943A1 - Electromagnetic force measurement instrument e.g. for measurement in components, has two spacers being variable to each other and arranged as stops - Google Patents

Electromagnetic force measurement instrument e.g. for measurement in components, has two spacers being variable to each other and arranged as stops Download PDF

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DE10325943A1 DE2003125943 DE10325943A DE10325943A1 DE 10325943 A1 DE10325943 A1 DE 10325943A1 DE 2003125943 DE2003125943 DE 2003125943 DE 10325943 A DE10325943 A DE 10325943A DE 10325943 A1 DE10325943 A1 DE 10325943A1
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices

Abstract

The instrument has two spacers being variable to each other and arranged as stops (4, 6). The first is made from electrically conductive material one serving as a stop and the other made of non-conductive material serving as a stator. An eddy current sensor is provided. Both stops are connected to a ring (8), where the geometrical dimensions of the force measuring instrument is changeable by application of force.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Kraftmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an electromagnetic force measuring device according to the preamble of Claim 1.

Stand der TechnikState of technology

Bisher kommen zur Messung von Kräften drei verschiedene Grundprinzipien zur Anwendung:So far come to measure forces three different basic principles for application:

1. Messung der elastischen, kraftproportionalen Dehnung einer belasteten Struktur durch Dehnmessstreifen.1. measurement of elastic, Force-proportional stretching of a loaded structure using strain gauges.

Nachteile:Disadvantage:

  • • Zur Kompensation der Temperaturdehnung in der Messung werden Dehnmessstreifen zu Widerstandsbrücken zusammengeschaltet. Die Temperaturdehnung muss dafür an einer unbelasteten Stelle der Grundstruktur gemessen werden, an der dieselbe Erwärmung auftritt wie an der Messstelle. Meist werden hierfür Dehnmessstreifen senkrecht zur zu messenden Belastungsrichtung aufgeklebt. Durch Querkräfte oder Torsion wird die Messung verfälscht, weil die dadurch auftretende elastische Verformung am Referenzmesspunkt zusätzlich zu der thermischen Dehnung gemessen wird.• To Compensation of the temperature expansion in the measurement are strain gauges to resistance bridges connected together. The temperature expansion must be at one unloaded point of the basic structure are measured at the same warming occurs like at the measuring point. Usually strain gauges are used for this glued perpendicular to the load direction to be measured. By transverse forces or torsion, the measurement is falsified because the resultant elastic deformation measured at the reference measuring point in addition to the thermal expansion becomes.
  • • Da Dehnmessstreifen nur die Komponente der Dehnung in ihrer Längsrichtung messen, führen Winkeltoleranzen bei der Applikation zu Messfehlern.• There Strain gauges only the component of the elongation in their longitudinal direction measure, lead angular tolerances in the application of measurement errors.
  • • Die Klebung von Dehnmessstreifen ist sehr fehleranfällig. Unter Einfluss von feuchtwarmer Atmosphäre evtl. in Verbindung mit aggressiven Kühlschmiermitteln, die die Klebeverbindung angreift, besteht die Gefahr der Ablösung.• The Adhesion of strain gauges is very prone to errors. Under the influence of moist warmer the atmosphere possibly in connection with aggressive cooling lubricants, the adhesive connection attacks, there is a risk of detachment.
  • • Im Fall der Überlastung, wie sie z. B. bei Werkzeugbruch auftreten kann, besteht die Gefahr einer Beschädigung der Messapparatur.• In the Case of overload, as they e.g. B. can occur when the tool breaks, there is a risk damage the measuring apparatus.
  • • Wegen der aufwendigen Herstellung sind die Kosten für ein Kraftmesselement nach dem Dehnmessstreifenprinzip sehr hoch.• Because of the cost of a force measuring element is based on the complex production the strain gauge principle very high.

2. Messung der verformungsabhängigen elektrischen Spannung über ein Piezokeramik-Element.2. Measurement of the deformation-dependent electrical Tension over a piezoceramic element.

Nachteile:Disadvantage:

  • • Mit piezokeramischen Messelementen können statische Kräfte nicht gemessen werden, da aufgrund eines Ladungsausgleichs die Messspannung bei statischer Belastung mit der Zeit abnimmt. Besonders bei feuchtwarmer Umgebung macht sich eine Ladungsdrift unangenehm bemerkbar.• With Piezoceramic measuring elements can be static personnel cannot be measured because the measuring voltage is due to a charge balance decreases with time with static load. Especially when it's warmer A charge drift is noticeably noticeable in the environment.
  • • Piezokeramische Messelemente sind empfindlich gegen Scher-, Torsions- und Biegebeanspruchung. Deshalb ist es notwendig, sie durch konstruktive Maßnahmen gegen solche Beanspruchungen zu schützen. Bei höchsten Belastungen erfolgt eine Depolarisation.• Piezoceramic Measuring elements are sensitive to shear, torsion and bending stress. Therefore it is necessary to take constructive measures to protect against such stresses. At highest loads a depolarization.

3. Messung der kraftproportionalen Längenänderung einer belasteten Feder.3. Measurement of the force proportional Change in length one loaded spring.

Nachteile:Disadvantage:

  • • Die Kraftauflösung ist durch die Wegauflösung der Längenmessung begrenzt. Die verwendeten Federn müssen so weich sein, dass sie bei Belastung eine messbare Verformung aufweisen. In vielen technischen Anwendungen ist allerdings nur eine sehr geringe Elastizität des Kraftmesselements zugelassen, da Kräfte hochdynamisch gemessen werden sollen. Mit dieser Methode werden vor allem statische Kräfte gemessen (Federwaage).• The Load resolution is due to the path resolution length measurement limited. The springs used must be so soft that they have a measurable deformation under load. In many technical Applications, however, is only a very low elasticity of the force measuring element admitted because forces to be measured highly dynamically. With this method especially static forces measured (spring balance).

Aufgabe der ErfindungTask of invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer einfachen und kompakten elektromagnetischen Kraftmesseinrichtung, wobei eine weitgehend temperaturunabhängige, hochauflösende statische und/oder dynamische Erfassung eines sich örtlich ändernden Magnetfeldes möglich ist.The The object of the present invention is to create a simple and compact electromagnetic force measuring device, being a largely temperature-independent, high-resolution static and / or dynamic detection of a locally changing magnetic field is possible.

Lösung und VorteileSolution and benefits

Die in Anspruch 1 dargestellte Kraftmesseinrichtung funktioniert nach dem unter (3) angegebenen Prinzip.The Force measuring device shown in claim 1 works after the principle given in (3).

Die Kraftmesseinrichtung besteht aus wenigen robusten Bauteilen. Im Unterschied zu rein induktiven Aufnehmern kommt sie ohne ferromagnetische Bauelemente aus.The Force measuring device consists of a few robust components. in the Unlike purely inductive sensors, it comes without ferromagnetic sensors Components.

Mit Hilfe eines Wirbelstromsensors wird die Längenänderung einer Feder gemessen, die bei bekannter Federsteifigkeit proportional zur Kraft ist.With With the help of an eddy current sensor, the change in length of a spring is measured, which is proportional to the force with known spring stiffness.

Aufgrund der hohen Wegauflösung dieser Sensoren können sehr steife Federn gewählt werden, so dass eine hochdynamische Kraftmessung realisiert werden kann. Höherfrequente Kraft- bzw. Druckmessungen können entweder mit einer relativ steifen Feder realisiert werden oder mit einem trägheitsarmen „Anker", z. B. einer metallischen oder metallisierten Membran. Liegt die Eigenfrequenz dieser Membran oberhalb des ausgewählten Frequenzbereichs, so ist eine amplitudenproportionale Messung über den gesamten Frequenzbereich ohne Resonanzüberhöhung zu erwarten.by virtue of the high path resolution of these sensors can very stiff springs selected be so that a highly dynamic force measurement can be realized can. Higher frequency Force or pressure measurements can either be realized with a relatively stiff spring or with a low inertia "anchor", e.g. a metallic one or metallized membrane. Is the natural frequency of this membrane above the selected one Frequency range, is an amplitude proportional measurement over the entire frequency range to be expected without excessive resonance.

Anspruch 7 sieht eine alternative Ausführungsform vor, die im wesentlichen durch einen zweischenkligen (U-förmigen) Grundaufbau charakterisiert ist.Claim 7 provides an alternative embodiment tion form, which is essentially characterized by a two-legged (U-shaped) basic structure.

Die DE 43 30 808 A1 beschreibt eine „zweischenklige" Biegemessvorrichtung, bei der das freischwebende Ende des einen „Schenkels" einen Wirbelstromsensor aufweist und der andere „Schenkel" ein metallisches Werkstück ist, dessen Durchbiegung sensiert werden soll. Als Verbindungselement zwischen den beiden „Schenkeln" dient eine Schraube, mit der das dem Wirbelstromsensor entgegengesetzte Ende des Metallgehäuses an dem Werkstück befestigt ist. Es ist zu vermuten, dass das Spiel des Schraubgewindes und das jeweilige Anzugsmoment der Schraube keine reproduzierbar präzisen Messergebnisse erwarten lassen.The DE 43 30 808 A1 describes a "two-leg" bending measuring device in which the free-floating end of one "leg" has an eddy current sensor and the other "leg" is a metallic workpiece, the deflection of which is to be sensed. A screw, also serves as a connecting element between the two "legs" the end of the metal housing opposite the eddy current sensor is attached to the workpiece. It can be assumed that the play of the screw thread and the respective tightening torque of the screw do not lead to the expectation of reproducibly precise measurement results.

Wegsensoren in Dünnfilmtechnologie lassen sich sehr preiswert herstellen und aufgrund ihrer geringen Größe mühelos in sehr kleine Kraftsensoren einbauen.displacement sensors in thin film technology can be produced very inexpensively and because of their low Size effortlessly in install very small force sensors.

Die Kraftsensoren sind unempfindlich gegen Querkräfte und Torsion.The Force sensors are insensitive to lateral forces and torsion.

Weiter Vorteile der in den Unteransprüchen genannten Merkmale werden im Rahmen der Beschreibung ersichtlich.Further Advantages of those mentioned in the subclaims Features become apparent in the context of the description.

Zeichnungendrawings

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Two embodiments the invention are illustrated in the drawings and in the following Description closer explained. Show it:

1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung, und zwar: 1 a first embodiment of the force measuring device according to the invention, namely:

1a in perspektivischer Sicht und 1a in perspective and

1b im Längsschnitt; 1b in longitudinal section;

2 eine zweite Ausführungsform, und zwar: 2 a second embodiment, namely:

2a in Seitenansicht und 2a in side view and

2b von vorne: links unter Krafteinwirkung F und rechts unbelastet. 2 B from the front: left under the action of force F and unloaded on the right.

Beschreibungdescription

Wie aus den 1a und 1b hervorgeht, weist die erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung 2 zwei abstandsvariabel zueinander angeordnete Endglieder 4, 6 und ein dazwischen befindliches Verbindungselement 8 auf. Das eine 4 der beiden Endglieder 4, 6 besteht aus elektrisch leitfähigem Material, das nicht ferromagnetisch sein muss; das zweite 6 der beiden Endglieder 4, 6 besteht aus nichtleitfähigem Material. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das elektrisch leitfähige Endglied 4 eine Metallscheibe und das nichtleitfähige Endglied 6 eine Keramikscheibe. Die scheibenförmigen Endglieder 4, 6 können als flexible Membranen oder als starre Platten ausgebildet sein.Like from the 1a and 1b shows, the force measuring device according to the invention 2 two end links that are arranged at variable distances from each other 4 . 6 and a connecting element located between them 8th on. The one 4 of the two end links 4 . 6 consists of electrically conductive material that does not have to be ferromagnetic; the second 6 of the two end links 4 . 6 consists of non-conductive material. In the present embodiment, the electrically conductive end member 4 a metal disc and the non-conductive end member 6 a ceramic disc. The disc-shaped end links 4 . 6 can be designed as flexible membranes or as rigid plates.

Das nichtleitfähige Endglied 6 ist mit einem in Dünnfilmtechnik hergestellten Wirbelstromsensor 10 versehen.The non-conductive end link 6 is with an eddy current sensor manufactured in thin film technology 10 Mistake.

Das Verbindungselement 8 ist eine ringförmige, aus elastischem Material bestehende Scheibe, die als Feder der Kraftmesseinrichtung 2 dient. Der eingezeichnete Pfeil gibt die Kraftrichtung F an. Die Federsteifigkeit lässt sich durch Wahl des belasteten Querschnitts, der Scheibendicke und des Werkstoffs einstellen und so an den gewünschten Messbereich anpassen. Als Werkstoff können zum Beispiel Keramik, Stahl oder Gummi verwendet werden. Keramik bietet den Vorteil, dass sich Federn realisieren lassen, die keine Temperaturdehnung aufweisen, womit eine Kompensation dieses Effektes nicht erforderlich ist. Wird für die Feder 8 ein Werkstoff verwendet, welcher eine thermische Dehnung aufweist, so muss als Referenz die Längenänderung an einer unbelasteten, identischen Feder gemessen werden, die derselben Erwärmung unterliegt.The connecting element 8th is an annular disc made of elastic material, which acts as the spring of the force measuring device 2 serves. The arrow shown indicates the direction of force F. The spring stiffness can be adjusted by selecting the loaded cross-section, the washer thickness and the material and thus adapting it to the desired measuring range. For example, ceramic, steel or rubber can be used as the material. Ceramic has the advantage that springs can be realized that do not exhibit any temperature expansion, so that this effect does not have to be compensated. Will for the spring 8th If a material is used which has a thermal expansion, the change in length must be measured as a reference on an unloaded, identical spring which is subject to the same heating.

Die 2a/2b zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Idee. Hier werden die beiden Endglieder der Kraftmesseinrichtung 2' von den beiden Schenkeln 12a, 12b eines U-förmigen Bauteils 12 gebildet. Der eine 12a der beiden Schenkel 12a, 12b ist an seiner Innenseite mit einer metallischen Beschichtung 14 versehen; der andere 12b der beiden Schenkel 12a, 12b weist einen Wirbelstromsensor 10 auf. Die die beiden Schenkel 12a, 12b verbindende Basis 12c ist als Deformationsbereich ausgebildet. Auch hier gibt der eingezeichnete Pfeil die Kraftrichtung F an.The 2a / 2 B shows an alternative embodiment of the idea according to the invention. Here are the two end links of the force measuring device 2 ' from the two legs 12a . 12b of a U-shaped component 12 educated. The one 12a of the two legs 12a . 12b is on the inside with a metallic coating 14 Mistake; the other 12b of the two legs 12a . 12b has an eddy current sensor 10 on. The two legs 12a . 12b connecting basis 12c is designed as a deformation area. The arrow shown here also indicates the direction of force F.

2, 2'2, 2 '
KraftmesseinrichtungForce measuring device
4, 64, 6
Endgliederend links
44
elektrisch leitfähiges Endglied, Metallscheibeelectrical conductive End link, metal disc
66
Endglied aus nichtleitfähiges Material, Keramikscheibeend link from non-conductive Material, ceramic disc
88th
Verbindungselement, Feder, ringförmige ScheibeConnecting element, Feather, annular disc
1010
WirbelstromsensorEddy current sensor
1212
U-förmiges BauteilU-shaped component
12a, 12b12a, 12b
Schenkel des U-förmigen Bauteilsleg of the U-shaped component
12c12c
Basis des U-förmigen BauteilsBase of the U-shaped component
1414
metallische Beschichtungmetallic coating
FF
Kraftrichtungdirection of force

Claims (9)

Elektromagnetische Kraftmesseinrichtung (2, 2') mit folgenden Merkmalen: – zwei abstandsvariabel zueinander angeordnete Endglieder (4, 6), nämlich ein aus elektrisch leitfähigem Material bestehendes, als „Anker" dienendes Endglied (4) und ein aus nichtleitfähigem Material bestehendes, als „Stator" dienendes Endglied (6), das mit einem Wirbelstromsensor (10) versehen ist, und – ein beide Endglieder (4, 6) verbindendes Verbindungselement (8), wobei die geometrischen Abmessungen der Kraftmesseinrichtung (2, 2') durch Krafteinwirkung veränderbar sind.Electromagnetic force measuring device ( 2 . 2 ' ) with the following features: - two end links arranged at different distances from each other ( 4 . 6 ), namely an end member consisting of electrically conductive material and serving as an "anchor" ( 4 ) and an end member made of non-conductive material and serving as a "stator" ( 6 ) with an eddy current sensor ( 10 ) is provided, and - one of both end links ( 4 . 6 ) connecting connecting element ( 8th ), the geometric dimensions of the force measuring device ( 2 . 2 ' ) can be changed by applying force. Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (8) eine ringförmige Scheibe ist.Force measuring device according to claim 1, characterized in that the connecting element ( 8th ) is an annular disc. Kraftmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Scheibe (8) aus Keramik, Stahl oder Gummi besteht.Force measuring device according to claim 2, characterized in that the annular disc ( 8th ) consists of ceramic, steel or rubber. Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (8) ein elastisches Federelement ist.Force measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the connecting element ( 8th ) is an elastic spring element. Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Endglied (4) eine Metallscheibe und/oder dass das nichtleitfähige Endglied (6) eine Keramikscheibe ist.Force measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrically conductive end member ( 4 ) a metal disc and / or that the non-conductive end member ( 6 ) is a ceramic disc. Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Endglieder (4 und/oder 6) eine flexible Membran oder dass mindestens eines der Endglieder (4 und/oder 6) eine starre Platte ist.Force measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the end members ( 4 and or 6 ) a flexible membrane or that at least one of the end links ( 4 and or 6 ) is a rigid plate. Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endglieder (4, 6) von den beiden Schenkeln (12a, 12b) eines U-förmigen Bauteils (12) gebildet werden, wobei der eine (12a) der beiden Schenkel (12a, 12b) an seiner Innenseite mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (14) versehen ist, wobei der andere (12b) der beiden Schenkel (12a, 12b) einen Wirbelstromsensor (10) aufweist, und wobei die beide Schenkel (12a, 12b) verbindende Basis (12c) [= Verbindungselement (8)] als Deformationsbereich ausgebildet ist.Force measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the two end members ( 4 . 6 ) from the two legs ( 12a . 12b ) of a U-shaped component ( 12 ) are formed, the one ( 12a ) of the two legs ( 12a . 12b ) on the inside with an electrically conductive coating ( 14 ) is provided, the other ( 12b ) of the two legs ( 12a . 12b ) an eddy current sensor ( 10 ), and wherein the two legs ( 12a . 12b ) connecting base ( 12c ) [= Connecting element ( 8th )] is designed as a deformation area. Kraftmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelstromsensor (10) in Dünnfilmtechnik hergestellt ist.Force measuring device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the eddy current sensor ( 10 ) is manufactured using thin film technology. Verfahren zur Kraftmessung mit Hilfe einer Kraftmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der thermischen Ausdehnung als Referenz die Längenänderung einer unbelasteten, identischen (Feder) gemessen wird, die derselben Erwärmung unterliegt.Force measurement method using a force measuring device according to one of claims 1 to 8, characterized in that to compensate for the thermal Expansion as reference the change in length an unloaded, identical (spring) is measured, the same Subject to warming.
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