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Elektrischer Dehnungsmeßstreifen Die Erfindung betrifft einen elektrisahen
Dehnungsmeßstreifen mit mehreren elektrisoh voneinander getrennten Meßgittern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere merkmale der Erfindung sind don Unteransprüchen su entnenhmen.
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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.
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Die Erfindung tat beispielhaft anhand der Zeiohnungen in der nachfolgenden
Beschreibung erläutert. Im einzelnen zeigen ! Fig. 1 eine Kraftmeßdose mit erfondungsgemäss
ausgebildeten Dehnunggsmeßstreivfen.
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Fig. 2 eine @hematischen Darstellung von Dehnungsmeßstreifenmeßgittern
in ihrer zuordnung zu bestmmten Koordinaten und zu neutralen Aehaen von Biegeebenen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.