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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor mit einem Piezoelement
zur Detektion von Schallwellen in Festkörpern (Körperschallsensor) und ein Verfahren
zur Montage eines solchen Sensors an einer Oberfläche.
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Die
Verwendung von auf die Oberfläche
eines zu untersuchenden Festkörpers
montierbaren piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern zur Detektion
von Schall oder Ultraschall in Festkörpern ist bekannt. Die Beschleunigung
a der Körperoberfläche durch
die mechanischen Schwingungen wird von dem piezoelektrischen Material
detektiert, welches zwischen der Oberfläche und einer trägen (seismischen)
Masse als Widerlager angeordnet ist. Da die Beschleunigung proportional
zum Quadrat der Frequenz der Schwingung im Festkörper ist, ist die Empfindlichkeit
des Sensors für
kleine Frequenzen gering. Ein weiterer Nachteil derartiger Beschleunigungsaufnehmer
ist, dass Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz, die von der
seismischen Masse und der Steifigkeit des Piezoelements abhängt, nicht detektiert
werden können.
Um eine höhere
Grenzfrequenz zu erhalten, muss die seismische Masse verringert
werden und/oder die Steifigkeit des Piezoelements erhöht werden.
Dies hat eine noch geringere Empfindlichkeit für niedrige Frequenzen zur Folge.
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Ein
anderes bekanntes Verfahren zur Detektion von Schallwellen in Festkörpern sieht
die Integration eines Piezoelementes direkt in den Festkörper vor.
Das mechanische Schwingungsspektrum wird vom Piezoelement direkt
in ein elektrisches Spektrum umgewandelt. Dieses Messprinzip hat zwar
einen wesentlich größeren Frequenzbereich.
Ein bedeutender Nachteil ist allerdings, dass im Messobjekt eine
Einrichtung zum Anbringen des Sensors, wie z. B. eine Bohrung, vorgesehen
sein muss, was oft nicht erwünscht
ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor der
eingangs genannten Art zu schaffen, der an der Oberfläche des
zu untersuchenden Festkörpers
befestigbar ist und das mechanische Schwingungsspektrum in ein elektrisches Spektrum
wandelt, ohne dass hierzu eine seismische Masse benötigt wird,
die das detektierbare Frequenzspektrum nach oben begrenzt und der
bei niedrigen Frequenzen eine hohe Empfindlichkeit hat.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist das
Piezoelement des Sensors in eine Materialbrücke integriert, deren Endbereiche
in Kontakt mit der Oberfläche
des Festkörpers
gebracht werden können.
Im Betrieb wird der Sensor an den Endbereichen der Materialbrücke auf der
Oberfläche
des zu untersuchenden Festkörpers befestigt.
Die Schallwellen, welche sich in dem Festkörper fortpflanzen, pflanzen
sich auch in der Materialbrücke
fort. Die damit verbundenen Druckschwankungen werden vom Piezoelement
direkt in elektrische Signale umgewandelt. Für akustische Wellenlängen im
Bereich größer der
Brückenlänge wird
die Brücke
verbogen. Je nach Krümmungsrichtung
der Oberfläche
des Festkörpers
entstehen Zugspannung oder Druckspannung am Piezoelement, die dann ebenfalls
in elektrische Signale gewandelt werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in der Beschreibung, den Figuren sowie den Unteransprüchen beschrieben.
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Nach
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform
sind an den Endbereichen der Materialbrücke Permanentmagnete zur Befestigung
des Sensors an einer ferromagnetischen Oberfläche vorgesehen. Diese Ausführungsform
ermöglicht
es, den Sensor vorübergehend
oder dauerhaft an einem ferromagnetischen Messobjekt zu befestigen,
ohne dass dieses beschädigt
wird. Darüber
hinaus ermöglichen
die Magnete in den Endbereichen der Materialbrücke ein einfaches Verfahren
zum dauerhaften Befestigen des Sensors an einer ferromagnetischen
Oberfläche. Hierbei
wird zunächst
ein aushärtbares
Klebemittel auf eine Montagezone aufgebracht, die entweder auf der
Oberfläche
des Sensors in der Nähe
der Permanentmagnete oder auf der ferromagnetischen Fläche liegt.
Im nächsten
Schritt wird der Sensor mit Hilfe des Permanentmagneten an der ferromagnetischen Fläche im Bereich
der Montagezone befestigt. Während
der Sensor durch den Magneten an der ferromagnetischen Oberfläche fixiert
ist, kann das Klebemittel aushärten.
Zusätzliche
Befestigungsvorrichtungen, um den Sensor zu fixieren, bevor das
Klebemittel ausgehärtet
ist, erübrigen
sich somit. Die Magnete dienen also in diesem Fall allein dazu,
den Sensor während
des Aushärtens
des Klebemittels zu fixieren.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass die Materialbrücke mindestens zwei Schenkel
aufweist, zwischen denen das Piezoelement angeordnet ist. Diese
Schenkel können über eine
oder mehrere zug- und biegeelastische Materialverbindungen verbunden
sein. Diese Ausführungsform
ermöglicht
zum einen, die Schenkel und die zug- und biegeelastische Materialverbindung
aus einem Stück
zu fertigen. Zum anderen ermöglicht
sie das Einspannen des Piezoelements unter Druckvorspannung, wodurch übermäßige Zugspannungen
auf das Piezoelement im Betrieb des Sensors vermieden werden, die
das Piezoelement zerstören
könnten.
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Die
zug- und biegeelastische Materialverbindung kann wellenförmig gebogen
sein, so dass die gewünschte
Elastizität
auf einfache Weise erhalten wird. Alternativ oder zusätzlich kann
die Materialverbindung auch eine separate Feder aufweisen.
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Zur
einfacheren Herstellung und Montage können die Schenkel der Materialbrücke und
die zug- und biegeelastische Materialverbindung aus einem Stück gebildet
sein. Dies hat zusätzlich
den Vorteil, dass kein Spiel zwischen den Schenkeln und der zug-
und biegeelastische Materialverbindung entstehen kann.
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Nach
einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die Schenkel der Materialbrücke unter einem
Winkel zueinander stehen, so dass sie ein Dreieck bilden, wobei
das Piezoelement zwischen den Schenkeln angeordnet ist. Schallwellen
mit einer Wellenlänge,
die größer als
die Länge
der Brücke
ist, werden von dieser Ausführungsform
des Sensors aufgrund der entstehenden Verbiegung der Brücke besonders
gut detektiert.
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Alternativ
können
die Schenkel auch mit dem Piezoelement in einer Ebene liegen, was
die Herstellung des Sensors vereinfacht.
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Um
eine bessere Übertragung
der mechanischen Druckwellen auf das Piezoelement zu erreichen,
sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor,
dass der Querschnitt der Schenkel zumindest bereichsweise größer ist
als der Querschnitt des Piezoelements.
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Der
Sensor kann zum Schutz vor Beschädigungen
in einem Gehäuse
angeordnet sein. Ein Gehäuse
erleichtert nicht nur die Montage am zu untersuchenden Festkörper, es
ermöglicht
auch die Unterbringung eines Vorverstärkers oder anderer elektronischer
Bauteile. In diesem Fall können
die Endbereiche der Materialbrücke über die
Umfangskontur des Gehäuses
hinausragen, wodurch Erschütterungen des
Gehäuses
im Betrieb vermieden werden und definierte Kontaktflächen für den Sensor
erhalten bleiben. Der Innenbereich des Gehäuses kann zur zusätzlichen
Fixierung der Bauteile vergossen werden, was eine Dämpfung der
Eigenschwingungen der Bauteile bewirkt.
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Zur
einfacheren Montage des Sensors und zugehöriger elektronischer Bauteile
kann die Materialbrücke
mit einer Halterung für
elektronische Bauteile verbunden sein. Die Verbindung kann gelenkartig gelagert
sein, so dass eine Dämpfung
der akustischen Schwingungen in der Materialbrücke durch die Halterung für elektronische
Bauteile vermieden wird.
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Um
die Haftung an der Oberfläche
des Messobjekts und die Schwingungsübertragung zu verbessern, können die
Endbereiche der Materialbrücke eine
gerillte oder geriffelte Oberfläche
besitzen.
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Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen
des unabhängigen
Verfahrensanspruchs zur Befestigung eines Sensors zur Detektion
von Körperschall
an einer ferromagnetischen Fläche,
wobei in dem Randbereich des Sensors zumindest ein Permanentmagnet
vorgesehen ist, der zur vorübergehenden
oder dauerhaften Fixierung des Sensors an einer ferromagnetischen
Fläche dient.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter
Ausführungsformen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
eines Sensors mit Gehäuse
und elektronischen Bauteilen;
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2 einen
Querschnitt durch den Sensor von 1;
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3 eine
Draufsicht auf einen weiteren Sensor; und
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4 einen
Längsschnitt
entlang der Achse IV-IV durch den Sensor von 3.
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Die 1 und 2 zeigen
eine erste Ausführungsform
eines Sensors zur Detektion von Körperschall mit einem Piezoelement 12,
das zur Detektion von Schallwellen in einem Festkörper dient.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht das Piezoelement 12 aus einem Stapel von aneinander befestigten
Teilelementen, die miteinander stapelförmig verbunden sind. Ein derartiges
Piezoelement besitzt eine große
Kapazität
und hat somit den Vorteil geringerer Störempfindlichkeit. Zu beiden
Seiten des Piezoelementes 12 sind Isolierelemente 11 angeordnet,
die beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Piezomaterial gebildet
sein können.
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Wie 1 ferner
zeigt, ist das Piezoelement 12 in eine Materialbrücke 13 integriert,
die beim dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei gleichartige Schenkel 14 aufweist, die einen Winkel
von etwa 150° einschließen. Die
beiden Schenkel 14 der Materialbrücke 13 sind über eine
zug- und biegeelastische Materialverbindung 18 miteinander
verbunden, die einstückig
mit jeweils einem Endbereich 15 der Schenkel 14 verbunden
ist. Mit anderen Worten bilden die beiden Schenkel 14 und
die Materialverbindung 18 ein einstückiges Bauteil, das beim dargestellten
Ausführungsbeispiel
aus Stahl hergestellt ist.
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Wie 1 ferner
zeigt, erstreckt sich die zug- und biegeelastische Materialverbindung 18 unterhalb
des Piezoelementes 12 zwischen den beiden Endbereichen 15 der
Schenkel 14, wobei die Materialverbindung 18 als wellenförmiger Steg
ausgebildet ist, der annähernd
eine Doppel-S-Form bildet.
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Jeder
der beiden Schenkel 14 der Materialbrücke 13 weist an seinem
inneren Ende eine plane Kontaktfläche für das Piezoelement 12 bzw.
die Isolierelemente 11 auf, wobei die Kontaktflächen der beiden
Schenkel 14 zueinander planparallel sind. In ihren äußeren Endbereichen 15 sind
die beiden Schenkel 14 mit jeweils einer Befestigungsfläche 19 versehen,
die zur Befestigung der Materialbrücke 13 an einer Montagefläche dient.
Hierbei verlaufen die beiden Befestigungsflächen 19 koplanar und
senkrecht zu den Kontaktflächen
der Materialbrücke 13. 1 lässt dabei
erkennen, dass die Kontaktbrücke 13 im
Wesentlichen die Form eines gleichschenkligen Dreiecks bildet, wobei
die Befestigungsflächen 19 im
Bereich der Basis des Dreiecks angeordnet sind und das Piezoelement 12 der
Basis des Dreiecks gegenüberliegt.
Wie 2 zeigt, sind das Piezoelement 12 und
die Schenkel 14 der Materialbrücke 13 symmetrisch
zu einer Mittelebene M angeordnet, wobei der Querschnitt der Schenkel 14 etwa dreimal
so groß ist
wie der des Piezoelementes 12.
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In
den Endbereichen 15 der Materialbrücke 13 ist ferner
jeweils eine Ausnehmung 17 vorgesehen, in der ein Permanentmagnet 16 vergossen
ist. Hierbei bildet eine Teilfläche
jedes Permanentmagneten 16 einen Teilabschnitt der Befestigungsfläche 19,
d.h. jeder Permanentmagnet 16 erstreckt sich bis an die
Oberfläche
der Materialbrücke 13 im
Bereich der Befestigungsflächen 19.
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Die
beiden Befestigungsflächen 19 der
Materialbrücke 13 sind
so bearbeitet, dass sie eine unregelmäßig geformte Oberfläche besitzen,
die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
gerillt ausgebildet ist. Hierbei erstreckt sich die gerillte Ausbildung der
Oberfläche
sowohl über
die Außenflächen der Permanentmagnete 16 wie
auch über
die benachbarten Oberflächenbereiche
der Materialbrücke 13.
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Wie
die 1 und 2 ferner zeigen, ist an der
Materialbrücke 13 eine
Halterung 24 vorgesehen, um eine Platine 26 mit
elektronischen Bauteilen 28 zu lagern. Die Halterungen 24 sind
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
jeweils aus einer U-förmigen Halteklammer
gebildet, die in eine Nut 29 eingesetzt ist, welche an
der Oberseite der beiden Schenkel 14 vorgesehen ist. Die
jeweils freien Enden der Halterungen 24 sind durch die
Platine 26 gesteckt und mit dieser fixiert, wobei das Piezoelement 12 über elektrische
Zuleitungen mit der Platine 26 verbunden ist, deren elektronische
Bauteile 28 einen Vorverstärker bilden.
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Der
vorstehend beschriebene Sensor ist in ein einseitig offenes Gehäuse 10 eingesetzt,
das eine Steckverbindung 27 zum Kontaktieren des Sensors aufweist.
Wie hierbei die 1 und 2 verdeutlichen,
ist der Sensor so in dem Gehäuse 10 angeordnet,
dass die Endbereiche 15 der Materialbrücke 13 geringfügig, beim
dargestellten Ausführungsbeispiel um
etwa 0,5 mm, über
die Umfangskontur des Gehäuses 10 hinausragen.
Es ist auch erkennbar, dass sich noch ein Teil der Materialverbindung 18 außerhalb
des Gehäuses 10 befindet.
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Nachfolgend
wird die Montage des in den 1 und 2 dargestellten
Sensors beschrieben.
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Zur
Montage des vorstehend beschriebenen Sensors werden zunächst die
Permanentmagneten 16 in die Ausnehmungen 17 der
Materialbrücke 13 eingesetzt
und in diesen dauerhaft vergossen. Danach werden die Befestigungsflächen 19 in
den Endbereichen 15 der Schenkel 14 so bearbeitet,
dass die gewünschte
rillenförmige
Oberflächenstruktur
entsteht.
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Anschließend kann
das Piezoelement 12, das zu beiden Seiten mit den Isolierelementen 11 versehen
ist, in den zwischen den Innenseiten der Schenkel liegenden Bereich
eingebracht werden. Hierbei ist die Materialbrücke 13 so dimensioniert, dass
das Piezoelement 12 mit den beiden Isolierelementen 11 unter
mechanischer Vorspannung zwischen den Kontaktflächen der Schenkel 14 festgeklemmt
ist, wobei diese Vorspannung durch die Materialverbindung 18 erzeugt
wird. Um eine gute Befestigung des Piezoelementes 12 sicherzustellen, kann
dieses zusätzlich
zwischen den beiden Schenkeln 14 verklebt werden.
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In
einem weiteren Schritt wird nun die vollständig bestückte Platine 26 mit
Hilfe der Halterungen 24 an der Materialbrücke 13 befestigt,
woraufhin das Piezoelement 12 elektrisch mit der Platine 26 kontaktiert
werden kann.
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Nach
dem Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen der Platine 26 und
der Steckverbindung 27 wird die aus Materialbrücke 13 und
Platine 26 bestehende Einheit wie in den 1 und 2 dargestellt
in das Innere des Gehäuses 10 eingesetzt,
wobei mit Hilfe von Justiereinrichtungen sichergestellt ist, dass
die Endbereiche 15 der Materialbrücke 13 um den gewünschten
Abstand über
die Umfangskontur des Gehäuses 10 hinausragen.
Wenn diese Position erreicht ist, die der Darstellung der 1 und 2 entspricht,
kann eine zuvor auf die Oberseite der Platine 26 aufgebrachte
Klebemasse 20, beispielsweise in Form von Silikon, aushärten, wodurch
die gewünschte
Relativlage zwischen Materialbrücke 13 und
Gehäuse 10 fixiert
ist. Im Anschluss daran wird das Innere des Gehäuses 10 mit einer
bei der Verarbeitung dünnflüssigen Vergussmasse 22 vollständig vergossen,
die beispielsweise Polyurethan umfassen kann. Eine derartige Vergussmasse
hat sich bewährt,
da diese auch im ausgehärteten Zustand
eine gewisse Restelastizität
aufweist, die ein Verbiegen der Schenkel 14 der Materialbrücke 13 erlaubt.
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Im
praktischen Betrieb kann der vorstehend beschriebene Sensor auf
einfache und vorteilhafte Weise an einer Montagefläche dauerhaft
befestigt werden, ohne dass die Montagefläche hierzu bearbeitet werden
muss oder gesonderte Befestigungsvorrichtungen erforderlich sind.
Hierzu kann auf eine gewünschte
Montagezone, die entweder auf den Endbereichen 15 und/oder
auf der Montagefläche aus
ferromagnetischem Material liegt, ein aushärtbares Klebemittel aufgebracht
werden. Anschließend kann
der Sensor an der ferromagnetischen Fläche im Bereich der Montagezone
mit Hilfe der Permanentmagneten 17 befestigt werden, woraufhin
das Klebemittel aushärten
kann.
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Nach
dem Aushärten
des Klebemittels ist der Sensor dauerhaft an der ferromagnetischen
Oberfläche
fixiert, d.h. die Permanentmagneten 17 dienen lediglich
dazu, den Sensor während
der Aushärtphase
des Klebemittels zu fixieren.
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Nach
erfolgter Montage des Sensors an der Montagefläche ist sichergestellt, dass
ein akustisches Spektrum, welches sich innerhalb des Festkörpers fortpflanzt,
sich auch auf das Piezoelement 12 überträgt, da mit Hilfe der Materialbrücke 13 ein akustischer
Nebenschluss erzeugt worden ist. Die aufgrund des Schalls im Festkörper vorhandenen Druckschwankungen
werden von dem Piezoelement 12 direkt in elektrische Signale
umgewandelt, wobei für
akustische Wellenlängen,
die größer als
die Länge
der Brücke
sind, die Brücke 13 verbogen
und das Piezoelement 12 gedehnt oder gestaucht wird. Bei
einer konvexen Verformung der Oberfläche des Festkörpers entsteht
im Bereich des Piezoelementes 12 eine Zugspannung, wohingegen
bei eine konkaven Krümmung
der Oberfläche
des Festkörpers
eine Druckspannung entsteht. Der erfindungsgemäße Sensor ist somit besonders
sensitiv für
Oberflächenschwingungen,
deren Wellenlänge
in der gleichen Größenordnung
wie die Länge
der Materialbrücke 13 liegt.
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Die 3 und 4 zeigen
eine weitere Ausführungsform
eines Sensors, wobei für
gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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Der
in den 3 und 4 dargestellte Sensor ist prinzipiell
in gleicher Weise aufgebaut wie der Sensor der ersten Ausführungsform.
Allerdings unterscheidet sich die Materialbrücke 13 des Sensors
nach den 3 und 4 darin,
dass die beiden Schenkel 14 in einer horizontalen Ebene
angeordnet sind. Die beiden Innenseiten der Schenkel 14 sind über zwei
zug- und biegeelastische Materialverbindungen 18 miteinander
verbunden, wobei die beiden Schenkel 14 und die beiden
zug- und biegeelastischen Materialverbindungen 18 in diesem
Ausführungsbeispiel
einstückig
aus Stahl ausgebildet sind. Die beiden zug- und biegeelastischen
Materialverbindungen 18 besitzen beide eine Doppel-S-Form
und sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Die beiden Schenkel 14 der
Materialbrücke 13 verjüngen sich
im Längsschnitt
gesehen von der Innenseite nach außen, wobei der Querschnitt
der Schenkel an den an das Piezoelement 12 angrenzenden
Innenseiten etwa doppelt so groß wie
an der Außenseite ist.
Die Endbereiche 15 der Schenkel 14 besitzen eine
glatte Oberfläche,
welche im Betrieb auf dem zu untersuchenden Festkörper befestigt
wird.
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Das
Piezoelement 12 ist zwischen den beiden Schenkeln 14 angeordnet
und besteht auch hier aus einen Stapel formenden Teilelementen aus
Piezokeramik. Die Schenkel 14 der Materialbrücke 13 besitzen
an ihren Innenseiten einen etwa dreimal größeren Querschnitt als das Piezoelement 12.
Das Piezoelement 12 ist beidseitig über Isolierelemente 11,
die bei spielsweise aus Aluminiumoxid bestehen können, mit den Innenseiten der
Schenkel 14 der Materialbrücke 13 verbunden.
Zusätzlich
sind an zwei gegenüberliegenden
Seiten des Piezoelementes 12 zwei elektrische Leitungen 25 an
Lötstellen 21 befestigt.
Die Leitungen 25 sind über
eine Oberseite eines Schenkels 14 geführt und dort zum Schutz vor
Zugbelastungen und Verknicken an Klebestellen 23 befestigt.
Die Leitungen 25 führen
zu hier nicht dargestellten elektronischen Bauteilen.
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Der
in den 3 und 4 dargestellte Sensor kann in
ein Gehäuse
eingebaut werden, kann aber auch ohne Gehäuse auf einen zu untersuchenden
Festkörper
montiert werden. Besonders bei kleinen Messobjekten ist die Montage
ohne Gehäuse vorteilhaft,
da Platz und Gewicht gespart werden.
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Bei
der Montage des Sensors wird zunächst das
Piezoelement unter mechanischer Vorspannung zwischen den beiden
Schenkeln 14 eingespannt. Zur besseren Fixierung kann es
mit den beiden Isolierelementen 11 und den Schenkeln 14 der
Materialbrücke 13 verklebt
werden. Anschließend
werden die Leitungen 25 am Piezoelement 12 an
den Lötstellen 21 angelötet und
zuletzt an der Oberseite eines Schenkels 14 an einer Klebestelle 23 verklebt.
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Im
Betrieb wird der Sensor an der Oberfläche eines zu untersuchenden
Festkörpers
befestigt, zum Beispiel aufgeklebt. Für die Funktionsweise des Sensors
gilt dann das bereits anhand des ersten Ausführungsbeispiels Erklärte.
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- 10
- Gehäuse
- 11
- Isolierelement
- 12
- Piezoelement
- 13
- Materialbrücke
- 14
- Schenkel
- 15
- Endbereich
- 16
- Permanentmagnet
- 17
- Ausnehmung
- 18
- zug-
und biegelastische Materialverbindung
- 19
- Befestigungsfläche
- 20
- Klebemasse
- 21
- Lötstelle
- 22
- Vergussmasse
- 23
- Klebestelle
- 24
- Halterung
- 25
- elektrische
Leitung
- 26
- Platine
- 28
- elektronische
Bauteile
- 29
- Nut
- M
- Mittelebene