DE1573792B1 - Mit einem Ende eingespannte einfache Biegefeder,auf der Dehnungsmessstreifen befestigt sind - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine mit einem Ende eingespannte einfache Biegefeder, auf der Dehnungsmeßstreifen befestigt sind, die in einem elektrischen Stromkreis eine von einer auf das freie Ende der Biegefeder wirkenden Kraft abhängige elektrische Größe erzeugen. In der Regel schaltet man mehrere derartiger Dehnungsmeßstreifen mit Festwiderständen zu einer Brücke zusammen und benutzt die eine Diagonalspannung dieser Brücke als die jeweilige Kraft kennzeichnende elektrische Größe.
• Eine bekannte Anordnung dieser Art zeigt F i g. 1.
• Die Biegefeder B ist mit ihrem in der Figur linken Ende fest eingespannt. Sie trägt in diesem Ausführungsbeispiel zwei Dehnungsmeßstreifen D, die, da sie beiderseits der neutralen Ebenen der Biegefeder B liegen, unter der Wirkung der im Punkt A der neutralen Ebene n eingreifenden Kraft P teilweise gestaucht (unterer Dehnungsmeßstreifen), teilweise gedehnt (oberer Dehnungsmeßstreifen) werden. Das Maß von Stauchung und Dehnung hängt von der Auslenkungs des Punktes und damit der Größe der Kraft P ab. Damit ist auch die Änderung des Widerstandswertes der Dehnungsmeßstreifen abhängig von der Größe der Kraft P.
• Da der Angriffspunkt A bei dieser bekannten Einrichtung in der neutralen Ebene liegt, ist der Zusammenhang zwischen der Kraft P und der Größe der Stauchung bzw. Dehnung der DehnungsmeßstreifenD bei kleineren Durchbiegungen linear. Insbesondere Dehnungsmeßstreifen aus Halbleitermaterial besitzen aber keinen linearen Zusammenhang zwischen ihrer Stauchung bzw. Dehnung und der durch diese hervorgerufenen Änderung ihres Widerstandswertes. Eine weitere Quelle für eine störende Nichtlinearität in der Messung ist durch druckbeaufschlagte Membranen gegeben, wenn diese zur Krafterzeugung Verwendung finden.
• Es sind Kraftmeßvorrichtungen bekannt, bei denen der elastisch verformte Meßkörper aus mehreren Biegebalken besteht, deren freie Enden starr miteinander verbunden sind. Bei derartigen Mehrfachbiegebalken ist es üblich, daß die Kraft außerhalb der neutralen Faser eingeleitet wird. Diese Art der Krafteinleitung hat bei Mehrfachbiegebalken mit starr verbundenen freien Enden keinen Einfluß auf die wirksame Länge bei der Biegung der Balken.
• Mit einer bewußten Verlagerung der Krafteinleitungsstelle können bei diesen bekannten Mehrfachbiegebalken deshalb auch keine Nichtlinearitäten ausgeglichen werden.
• Eine bekannte Lösung zum Ausgleich der Nichtlinearität von Dehnungsmeßkörpern benutzt eine in die Speisung einer Brückenschaltung aus Dehnungsmeßstreifen eingeschaltete zusätzliche Spannungsquelle, deren Spannung abhängig von der Last gemacht ist. Die Wirksamkeit dieser rein elektrischen Lösung hängt von mehreren Faktoren ab, die nicht immer leicht zu beherrschen sind. Eine andere bekannte linearitätskompensierte Lastmeßzelle verwendet in jeder Zelle zwei Meßkörper, die jeweils auf Dehnung bzw. Stauchung beansprucht sind. Auf diese Weise heben sich die unterschiedlichen Linearitätsfehler beider Dehnkörper gegenseitig auf. Eine aus zwei Dehnkörpern kombinierte Meßzelle ist jedoch schwierig herzustellen und erheblich teurer als einfache Lastmeßzellen. Eine dritte bekanntgewordene Druckmeßdose mit Linearitätskompensation sieht einen Meßzylinder vor mit einer an- nähernd in axialer Richtung sinusförmig gewellten Mantelfläche. Ein derartiger Meßkörper ist ebenfalls schwierig herzustellen.
• Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, auf dem Prinzip des Biegebalkens beruhende Kraftmeßeinrichtungen mit Hilfe rein mechanischer Mittel Linearitätsabweichungen gegenüber zu kompensieren.
• Die Erfindung geht von einer mit einem Ende eingespannten einfachen Biegefeder aus, auf der Dehnungsmeßstreifen befestigt sind, die in einem elektrischen Stromkreis eine von einer auf das freie Ende der Biegefeder wirkenden Kraft abhängige elektrische Größe erzeugen. Ihre kennzeichnenden Merkmale bestehen darin, daß die Kraft in einem derartigen Abstand ober- oder unterhalb der neutralen Faser der Biegefeder angreift, daß die bei Durchbiegung der Feder erfolgende Änderung ihrer wirksamen Länge eine insbesondere von den Eigenschaften der Dehnungsmeßstreifen herrührenden Nichtlinearität des Zusammenhangs der Kraft mit der elektrischen Größe ausgleicht.
• Bei Verwendung von Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen ergibt sich der in Fig. 2 wiedergegebene Linearitätsfehler 1 in dem den Zusammenhang zwischen der beispielsweise als Spannung U dargestellten elektrischen Größe einerseits und der Kraft P (oder der Dehnung bzw. Stauchung) andererseits darstellenden Diagramm. Erfindungsgemäß wird nun durch Einfügung einer Nichtlinearität entgegengesetzten Vorzeichens, die in der eben beschriebenen Weise erzeugt wird, eine Kompensation dieses Linearitätsfehlers 1 vorgenommen. Das erfindungsgemäße Prinzip beruht, wie Fig. 3 erkennen läßt, darauf, daß durch Verlegung des Angriffspunktes A der Kraft P aus der neutralen Ebene der Biegefeder B in eine bei Verwendung von Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen darüberliegende Ebene mit wachsender Kraft P die wirksame Länge 1 der Biegefeder B um zl 1 verändert wird. Bei Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, d. h. bei der in F i g. 3 dargestellten Verlagerung des Angriffspunktes A nach oben, wird hierdurch der lineare Zusammenhang zwischen Kraft P und Dehnung bzw.
• Stauchung gestört. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden also die Dehnungen bzw. Stauchungen der Meßstreifen progressiv vergrößert, denn die Längenänderung A 1 ist, wie F i g. 3 und auch die Anschauung zeigt, bei größerer Kraft größer als bei einer kleineren KraftPB.
• Durch eine derartige Verschiebung des Angriffspunktes der Kraft aus der neutralen Ebene der Biegefeder ist es auch möglich, die durch Verwendung einer druckbeaufschlagten Membran als Krafterzeuger in die Messung hineingebrachte Unlinearität zu kompensieren. Dies gilt verständlicherweise nicht nur bei Verwendung einer Membran, sondern schlechthin bei Verwendung nichtlinearer Elemente in dem Meßkreis.
• F i g. 4 läßt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung erkennen. Die mit den Dehnungsmeßstreifen D bestückte Biegefeder B trägt an ihrem freien, in der Figur rechten Ende die ringförmige Aufnahme RA für das Rohr R, an dessen oberen Ende der Angriffspunkt A der Kraft P liegt. Der Angriffspunkt liegt also oberhalb der neutralen Ebene, die in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr durch die SchraubeS verläuft. Diese Schraube gibt eine einfache Möglichkeit zur Regelung der Nichtlinearität, die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen bezüglich des Zusammenhanges zwischen Kraft und Dehnung bzw. Stauchung erzeugt wird und die zur Kompensation der durch die Eigenschaften der Dehnungsmeßstreifen oder anderer Teile des Meßsystems bewirkten Nichtlinearität dient.
• Der zur Kompensation einer Nichtlinearität notwendige Abstand des Kraftangriffs von der neutralen Faser bei bestimmten Biegefedern ist empirisch zu bestimmen. Er kann mit Hilfe der Schraube S eingestellt werden. Es ist jedoch auch möglich, auf die Schraube S zu verzichten, wenn die auszugleichenden Nichtlinearitäten genau bekannt sind und der einmal gefundene Abstand des Krafteinleitungspunktes von der neutralen Faser deshalb nicht mehr justiert werden muß.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Mit einem Ende eingespannte einfache Biegefeder, auf der Dehnungsmeßstreifen befestigt sind, die in einem elektrischen Stromkreis eine von einer auf das freie Ende der Biegefeder wirkenden Kraft abhängige elektrische Größe erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft in einem derartigen Abstand ober- oder unterhalb der neutralen Faser der Biegefeder angreift, daß die bei Durchbiegung der Feder erfolgende Änderung ihrer wirksamen Länge eine insbesondere von den Eigenschaften der Dehnungsmeßstreifen herrührende Nichtlinearität des Zusammenhangs der Kraft mit der elektrischen Größe ausgleicht.
2. 2. Biegefeder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende der Biegefeder ein im nichtbelasteten Zustand derselben senkrecht verlaufendes Rohr befestigt ist, an dessen oberem Ende die Kraft angreift.
3. 3. Biegefeder nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr in senkrechter Richtung verschiebbar an der Biegefeder gehalten ist.