DE1473698A1 - Elektrischer Dehnungsmessstreifen - Google Patents

Elektrischer Dehnungsmessstreifen

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DE1473698A1 DE19651473698 DE1473698A DE1473698A1 DE 1473698 A1 DE1473698 A1 DE 1473698A1 DE 19651473698 DE19651473698 DE 19651473698 DE 1473698 A DE1473698 A DE 1473698A DE 1473698 A1 DE1473698 A1 DE 1473698A1
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Description

  • Elektrischer Dehnungsmeßstreifen Die Erfindung betrifft einen elektrisahen Dehnungsmeßstreifen mit mehreren elektrisoh voneinander getrennten Meßgittern.
  • Re aind bereits dehnungsmeßstreifen bekannt, bei welohn ohrore elektrisch voneinander isolierte Meßgitter n boneinander oder Übereinander angeordnet aind. Derartige Anordnungen dienen dazu, die durch 8ussere einflüsse, z. B.
  • Druck, Zug, Pressing, scherung, Gewicht, Verschiebung usw. in einem Kdrpor hervorgerufenen Spannungszustände zu erfassen und in entsprechende, wonolnuzder getrennte elektrische Meßsignale andoln. Die Meßgitter besthen hierbei sus elektrischem Widerstands- oder Halbleitermaterial, in. Fors von Drähten oder Folienstriefen. sie wordon mit geeigneten Befestigungsmitteln, wie Kleber, Kitt us. auf des Korper mit oder ohne ln TrMgerelement, wie Papierfolie, Bakelitträger usw., bvefestigt. Der Körper kann ein zu unterauohendee Bauelement sein oder ein sogenannter Prkfkörper der z.B. nach Art der bekannten Kraftmeßdosen zur $Ermittlung eines bestimmten äusseren Einfluates, z. B. Kraft, Oewieht, Druck, Veratellweg, dieaem unterworfen wird. Au veraohiedenen Gründen ist es oft erforderlich, duroh ein und donselbon äusseren Einfluss hervorgerufene Apannungszustände in mehrere, getrennte elektrische meßsignale umzuwandeln, beispielzweise um dan eine Signal einer anzeigevorrichtung zuzuführen und dan andere Signal für Steuer- oder Regelzweoke zu b*-nutzen.
  • In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei den bekennten Anordenungen Fehler dadurch auftreten, dass die verschiedenen meßgitter zufolge ihre anordnung neben- oder übereinander don durob den zu messenden äusseren Einfluse hervorgerufenen Spannungszeustand nicht an zelben Ort erfassen.
  • Bei Übereinander angeordneten MeBgittern entstehen solche Fehler beispielsweiae zufolge der unterschiedlichen Abamande der einzelnen MeSgitter von der neutralen Achae und der Oberfläche des Körpers; bei nebeneinander leigenden Meßgittern werden an verschiedenen Oberflächenstellen nicht exakt miteinander übereinstimmende Spannungszustände erfaaat. weiterhin kann sioh die Polarität der an verschiedenen Stellen erfassten Spannungszustände unter verschiedenen Belastungsbedingungen ändern, was z. B. bel Kompensationsaohaltungen den gewünschten Effekt verhindert. Ta lot Zueok der Brfindung, dieae Fehler zu vermeiden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Meßstreifen sit mehreren MeBgittern zu sohaffen, bei welchem alle Meßgitter praktisch am selben Ort zur Wirkung Kommen und dariait denselben Spannungszustand erfaszen. Dies wird dadurch erreicht, dass gemäss der Erfindung die Meßgitter in derselben Flache liegend, ineinandergrelfend angeordnet sind.
  • Bel Dehnungsmeßstreifen mit mäanderförmigen meßgittern sind nach einem weiteren Erfindungagedanken Leiterteile einea der meßgitter zwischen Leiterteilen eines oder mehrerer der anderen MeBgitter elektrisoh von diesen iaoliert und parallel zu diesel verlaufend angeordnet.
  • In Weiterbildung do* Erfindungsgedankens ist die gleiche Zahl von Leiterteilen symmetrisch zu einer ersten Symmetrieau angeordnet und eratreoken *Loh die Leiter der MeX-gitter Mit in wesentlichen gleicher Länge zu beiden Seiten einer zweiten Symmetrieachae, die die erste Symmetrieachse In winkel von 90° schneidet.
  • Weitere merkmale der Erfindung sind don Unteransprüchen su entnenhmen.
  • Mit dar erfindungsgemässen ausbildeung wird über die Vermeidung der erwähnten meßtechnischen Unzulänglichkeiten bekannter Anordnungen hinaus ein univeraell anwendbarer fertigungstechnisch einfacher und preiawerter MeBatreifen mit in Manchen ausführungsformen zymmetrischen Aufbau geschaffen.
  • Die Erfindung tat beispielhaft anhand der Zeiohnungen in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Im einzelnen zeigen ! Fig. 1 eine Kraftmeßdose mit erfondungsgemäss ausgebildeten Dehnunggsmeßstreivfen.
  • Fig. 2 eine @hematischen Darstellung von Dehnungsmeßstreifenmeßgittern in ihrer zuordnung zu bestmmten Koordinaten und zu neutralen Aehaen von Biegeebenen.
  • Fig. 3 in vergröss3erter Darstellung eine Abwicklung der die Dehnungsmeßstreifen tragenden Fläche der Krafts*$-dose naoh Fig. 1 ait elektrischen Anschlüssen, Fig. 4 la vergrösserter Darstellung einen Dehnungsmeßatreifen gewMaa Fig. 3 und Fig. 5 dan 8ohaltbild einer der beicden elektrischen Brückenschaltungen nach Fig. 3, in welche die Me$gitter der Dehnungsmeßstreifen der Kraftmeßdose nach Fig. eingefüfgt sind.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Kraftmeßdose 6 enthält ein stabförmiges Verformungselement 7. dessen mittlerer Teil 7a mit einer Aussparung 7b versehen ist. Das VErformungselement 7 ist mit dem Kraftmeßdosengehäuse 8 über sein Ende 7d und die Bodenplatte 8b fest verbunden und Mit soluse anderen Bhde 7o durch die BUlas 8f aus dw Gehäuse 8 herausgeführt. Die Hülse 8f ist mittels der Membranen 8c bis 8e in Richtung der Meßschse 11-11 beseglich gref@@rt, während seitliche @@wegungen verhindert werden. Auf diese weise ist das innere der Kraftesßdes hermetisch abgeschlessen. Das Ende 7c des Verfahrenungselemmtes 7 trägt einen Lastaufnah@@knopf 12, auf den die au messende Kraft über des krafteinlitungsteils 9 @@leitet wird. Das Kraftme@dos@@@use 8 stützt sich auf dem Widerlagerteil lo ab. In der dargestellten Form dient die Kraftmeßdose zur Messung von Druckkräften. In bekannter Weise kann sie jedoch auch zur Messung von Zug-Kräften herangezogen werden.
  • Der abgerundete Lastaufnahmeknopf 12, der in den lastUbertragenden Teil 7c eingeschraubt ist, soll exzentrische, seitliche und winklige Lastübertragungen auf das Verformungselement 7 vom Krafteinleitungsteil 9 her reduzieren, jedoch kommt es trotzdem häufig vor, dass die angewandte Belastung eine oder mehrere Lastkomponenten enthält, die in winkliger und'oder exzentrischer Beziehung oder sonkrecht zur Längsachse 11-11 entstanden sind. Dementsprechen neigen die mit dem Teil 7a des Verformungselenmentes verbundenen Dehnungsmeßstreifen 13-16 dazu, auf diese Belastungskomponenten ebenso wie auf die Komponenten in Richtung der Memachse 11-11 anzusprechen und es ergeben aioh omit MEmfehler. In den Fille, wo Dehnungsmeßstreifen in perfekter symmetrischer Orientierung zu den Achsen gehalten werden, in welchen die Belastungen und Spannungen wirken, ist an theoretisch möglich, sehr genaue Messungen durchzuführen, in-dem man die Signale der Dehnungsmeßstreifen in einer BrUckenßchaltung kombiniert, in der sich die Effekte der unerwUnechten Dehnungen gegenseitig aufheben. Oft lot es notwendig, mehr als einen Satz von Dehnungsmeßstreifen in mehr als einer Brückenschaltung] zu verwenden und zwar fUr Mehrfaohzwecke, wie z. B. gleichzeitige örtliche und Fernznselgen oder gleiohzeitige optische Anzeige und graphisohe Aufzeichnung der Meaaungen. In diesen F§llen hat man bisher versucht, die erwünschten Aufhebungen unerwünschter Meßanzeigen durch Anbringung mehrerer dehnungsmeßstreifen übereoinander zu erreichen oder durch Paarung von gleichen Dehnungsmeßstreifen möglichst nahe nebeneinander. Jedoch kdnnen die örtlichen Unterschiede, die sich bei diesen gepaarten Anordnungen der Dehnungsmeßstreifen ergeben, schon ausreiohend sein, um zu Meßfehlern zu führen und zwar nicht nur zwischen den von jeweiligen BrUokenanordnungen gelieferten Anzeigen, sondern auch innerhalb jeder dieser BrUckenschaltungen.
  • In Fig. 2 aind derartige Anordnungen von Dehnungsmeßstreifen schematisch dargestellt. Keiner der in dieser Weise an einer spannungsbelasteten Floche 21a eines lasttragenden Teiles 21 angebrachten Dehnungsmeßstreifen 17-2o kann in genau der gleichen Weise wie ein anderer Dehnungsmeßstreifen dieser Gruppe aut alle Effekte der Belastung ansprechen. So sind beispielsweise die Ende an Ende angeordneten Dehnungsmestreifen 18 und 2o auf die Aches 22-22 bezogen, notwendigerweise versetzt ; unter gewissen UmstXnden kann jeder Dehnungsmeßstreifen auf Xussere spannungen in verschiedenem Sinn ansprechen und bei elektrischen BrUokenschaltungen in Kombinationen mit anderen Dehnungsmeßstreifen kann es vorkommen, dass ein dehnungsmeßstreifen nicht die Polartät der Widerstandsanderungen anzeigt, die erforderlich ist, um die Kompeneation fUr daa Auftreten derartiger unerwünschter Spannungen zu erzeugen. Das ist leicht verständlich, wenn man sich derartige Ende an Ende angeordnete Paare von Dehnungsmetreiten an den Stellen der MeBvorriohtungen 13 und 15 in Fig. 1 angebracht, denkt. Eine C-fumige Blegung des Verformungselementes 7 führt hier dazu, dass die Dehnungsmeßstreifen an jeder Seite der Mittelachse die gleiche PolaritKt der widerstandsänderung aufweisen, wänhrend eine S-förmige Biegung dazu führt, dass dieselbon beiden Dehnungsmeßstreifen Dehnungen bzw. Widerstandsänderungen verschiedener PolarltXt erfahren. Daher kann man sich bei derartigen Anordnungen nicht darauf verlassen, dass der gewünschte Kompensationseffekt tatsächlich erreicht wird. Ähnliche Nachteile ergaben sich bei der Anordnung Seite an Seite der Dehnungsmeßstreifen 18 und 19 an gegenüberliegenden Seiten der Aches 23-23.
  • Das jÜbereinanbderschten oder Stapeln wie im Falle der Dehnungsmeßstreifen 17 und 18 bedingt notwendigerweise die räumliche Anordnung ihrer Meßgitter in verschiedenen Ebenen. Domzufolge haben die Meßgitter unterschiedlichen Abstand vfon einer neute@@en @@@se, wie z.b. der achse 24-24.
  • Die Meßvorrichtungen erfassen aut diese Weise verschiedene Meßgrössen von unerwünschten Dehnungen durch Biegung oder andere unerwünschte EinflUsse auf dan Teil 21, welches sie trust. Es ist auch bekannt, dass Meßglitter, die weiter von der Flache entfernt sind, an oder in welcher Dehnungen auftreten, im gedehnten Zustande weniger stabil sind, ale diejenigen, die so nah wie mdglich an dieser Flache befestigt sind. Diese Nachtelle treten bel den erfindunggemlasen Dehnungsmeßstreifen 13 - 16 nicht auf.
  • Wie aus der in Fig. 3 dargestellten Abwtoklung der die Dehnungsmeßstreifen 13-16 tragenden Flache 7e gemmes Fig. 1 ersichtlich ist, enthält jeder der Dehnungsmeßstreifen 13-16 zwel elektrisch vdneinander getrennte Meßgitter, die unabhängig voneinander die gleichen WlderstandsXnderungen bei einer Xnderung des Spannungszustandes in der darunter liegenden Meßfläche erleiden.
  • Die elektrische EinfU6ung der einzelnen MeBgitter in verschledeno BrUckenschaltungen ist ebenfalls in Fig. 3 dargestellt. Hierbei bedeuten die einzelnen Leiterbezeichnungen W = weiß, B = schwarz, B/W = schwarz-weiß, R = rot, G = grün, G/W = grün-weiß. Die Anschlüsse 25 sind an die Aussenseite des Kraftmeßdosengehäuses in eine abgekapselte Anschlussdose 25a (Fig. 10 und die AnschlUsse 26 in eine abgekapselte Anschlussdose 26a geführt. Srtromzufuhr und Meßgeräte werden inj bekannter und nicht dargestellter Weise aussen an Jede der beiden BrUcken angeschlossen. An der Aussenseite des Verformungselementes 7a Shd die Kompensationselemente 27 - 30 befestigt, welohe die mit Temperaturänderungen einhergehende Xnderung des Elastizitätsmoduls des VerforMungselementes in Ublicher Weise eliminieren. Sie sind ebenfalls an die beiden BrUcken in der gezeigten Weise angeschlossen.
  • Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Dehnungsmeßstreifen 13 zwei MeBgitter mit langgezogenen elektrisch voneinander getrennten und einander parallelen Leitern 31 bzw. 32, die in bekannter Weise durch chemisches Xtzen aus einer elektrlsch leitenden Metallfolie gearbeitet und auf einem dUnnen elektrlach isolierenden Träger 33 angeordnet sind. Die parallelen Leiter sind in ungeflhr gleichem Abstand angeordnet und haben etwa die gleichen LKngen und Querschnitte. Die benachbarten Enden aller zwdlf Leiter 31 bzw. der entspreohenden zwölf Leiter 32 sind durch die quer verlaufenden und, um einen niedrigen Widerstandswert zu erzielen, mit vergrdssertem Querschnitt versehenen Follentelle 31a bzw.
  • 32a jeweils miteinander verbunden. Die auf diese Weise elektrisch in Relhe genchaltoten Leiter 31 bzw. 32 sind an ebenfalls mit grdxserem Querschnitt versehene Anschlüsse 31b bzw. 32b gefUhrt. Der niedrige Widerstand der Verbindungen 31a und 32a maoht die Unterschiede in ihren GesamtlKngen wirkungslos. Die Leiter 31 und 32 sind symmetrisch zur Symmetrieachse Y angeordnet und erstrecken sich mit gleicher Länge zu beiden Seiten der zweiten symmetrieachse X, die senkrecht zur ersten Symmetrieaohse Y und in der gleichen Ebene wie diese liegt. Beide Gitter liegen in der gleichen Ebene auf der dritten Koordinatenachse Z und somit in gleichem Abstand von einer kentfernteren neutralen Achse. Beide Gitter besitzen damit die gleiohe Stabilität, wenn die Floche, an der ale befestigt sind, gedehnt wird und unterliegen praktisch den glelchen Temperatureinflüssen. Yon der Achae Y aus gesehen liegen auf jeder Seite zuerst zwei Leiterlängen 32, dann sechs Leiterlängen 31 und sohliesslioh vier weitere leiterlängen 32. Die analoge Anordnung von Leitern weiterer Meßgitter oder von Meßgittern mit abweichenden Letierzahlen und abweichender Verteilung ist selbstverständlich mdglich. Mit Folien-und/oder bandartigen Leitern, wie z. B den Zuleitungen 34 (Fig. 3) werden die erfindungstgeßässen Dehnungsmeastreifen elektrisch zu vonelander unabhängigen Brückenschaltungen verbunden und kdnnen leicht durch isolierte Befestigung am Verformungselement 7 montiert werden.
  • Wie an sich bekannt und in Ftg. 3 und 4 nicht dargestellt sind die Meßgitter durch eine isolierende Abdeokung goschützt, die wie der Trier 33 z. B. aus mit Harz getränktem, vorzugsweise mit Bakelit imprängiertem oder Uberzogenem Papier oder dgl. bestehen kann. Der gleiohe Harztyp wird vorzugsweise verwendet zum Ankitten des DehnungemeBstreirens am Verformungselement 7. Die Meusgitter kdnnen anstatt aus Metallfolie auch aus Draht-oder Halbleitermaterial bestehen.
  • Die erfindungsgeßässen Dehnungsmeßstreifen können auf vielfache Art und Weise vorteilhaft verwendet werden, je naoh Anwendungsart und Konstruktion der Verformungselemente, mit denen sie zusammenwirken. In Bezug auf die Achsen X, Y und Z können die Dehnungsmeßstreifen derart angeordnet sein, dass die Belastungsaohse des Verformungselementes entweder mit einer dieser Achsen zusammenfält oder dazu parallel ist. Beispielsweise können bei einem einfachen säulenförmigen Verformungselement zwei derartige Dehnungsmeßstreifen mit ihren X-Aahsen und weitere zwei Dehnungsmeßstreifen mit ihren Y-Achsen parallel zur Längsbelastungsachae der säule liegen. Bei einem gewöhnlichen ringförmigen Verformungselement kUnnen die z-Achsen zweier Dehnungsmeßstreifen mit der Belastungsachse des Elementes zusammenfjallen und die Y-Achsen zweier weiterer Dehnungsmeßstreifen parallel zur Belastungsaohse des Elementes verlaufen.
  • In beiden F8llen werden die acht Meßgitber dieser Dehnungsmeßstreifen in einfacher Weise in zwei BrU¢kenschaltungen eingefügt, die beide eine Aufhebung der unerünschten Anspreohwerte auf äussere Biebgungen der Verformungselemente bewirken, gleichgültig ob die Spannungskräfte auf eine C-förmige Verformung der Belastungsachse - wei das z. B. durch exzentrische, winklige oder seitliche Belastung an einem Ende vorkommt-oder auf eine S-förmige Verformung hinwirken, die dann auftreten kann, wenn seitliche Belastungen darauf hinwirken, die beiden lastübertragenden Enden eines Verformungselementes in seitlicher Beziehung zueinasnder zu verschieben.
  • Die Fig. 5 zeigt eine der beiden gleiohen Brückensohaltungen. Von den Dehnungsmeßstreifen 13-16 In Fig. 1 ist Jeder DehnungsmeBstreifen mit einem seiner beiden Meßgitter, im Beispiel sind dies die Gitter 13b, 14b, 15b, 16b, in die Brückenschaltung 35 eingefUgt. Die Speisung der bRücke und die Abgabe der elektrischen Signale an ein messendes oder aufzeichnendes Instrument erfolgt über die verschiedenen einander gegenüberliegenden Diagonale der Brücke in bekannter weise. Die anderon Meßgitter der Dehnungsmeßstreifen 13 bis 16 bilden in analoger weise die zweite BrUcke.. Die vorzugsweise eben und flaoh ausgebildeten erfindungsgeßässen Dehnungsmeßstreifen lassen sich leicht in nicht planare Gebilde umformen, wie z. B. die zylindrisch gekrümmten Teile 13 bis 16 in Fig. 1. Weitere Variationen der erfhdungsgeßässen Dehnungsmeßstreifen sind möglich. So können fUr einige Anwendungen, wie z. B. die Messung von ringförmig verlaufenden Mebrandehnungen, die ineinandergreifenden Leiter der Meßgitter zweckmässigerweise bogenformig sein und verschiedene Leiterlängen besitzen. Die Meßgitter können auch spiralförmig sein oder eine sonstige G. stalt besitzen. Die verschiedenen Gitter eines Dehnungsmeßstreifens könen auch aus verschiedenen Materialien angefertigt oder geformt werden ; damit sie. verschiedene Widerstandskennlinien aufweisen.

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1.) Elektrischer Dehnungsmeßstreifen mit mehreren, elektrisch voneinander isolierten meßgittern, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßgitter (31, 32) in derselben Flache liegend und ineinandergreifend angeordnet sind.
  2. 2.) Elektrischer Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 1, mit mäanderförmigen Meßgittern, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterteile eines der MeBgitter (31) zwischen Leiterteilen eines oder mehrerer der anderen MeB-gitter (32) elektrisch von diesen isollert und parallel zu diesen verlaufend angeordnet sind.
  3. 3.) elektrischer Dehnungsmeßstreifen naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch zu einer ersten Symmetrieachse (Y) die gleiche Zahl von Leiterteilen jedes der MeBgitter (31, 32) angeordnet ist, und sich die letier der meßgitter mit im wesentlichen gleicher Lange zu beiden Seiten einer zweiten Symmetrieachse (X), die die erste Symmetrieachse im Winkel von 90° schneidet, erstrecken.
  4. 4.) Elektrischer Dehnungsmeßstreifen nach Anspruoh 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu beiden Selten einer ersten Symmetrieachse (Y) Leiterteile (31, 32) in Gruppen zusanmengefaast sind, die abwechselnd zu dem einen und zu dem anderen MeBgitter gehören, und die Zahl der Leiterteile innerhalb der einzelnen Gruppen unterschiedlich und so gewählt ist, dass bei einer Stzörgrösse und in Richtung einer zweiten, senkrecht zur ersten Symmetrieachse verlaufenden Symmetrieachse (X) veränderlicher Intensité die Summe der Störsignale in den zu dem ersten MeBgitter gehdrenden Leiterteilen gleich der Summe der Störsignale in den zum welten MeBgitter gehdrenden Leiterteilen ist.
  5. 5.) Elektrischer Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinandergreifenden Leiterteile der Meßgitter bogenfdrmig ausgebildet sind und unterschiedliche Länge besitzen.
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