DE1773551C - Piezoelektrischer Mehrkomponenten Druckgeber - Google Patents

Description

und dazwischen ein Satz piezoelektrischer Schei- Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zuben (23, 24) mit einer zu den Kraftübertragungs- gründe, einen piezoelektrischen Mehrkomponentenscheiben (4,5) senkrechten Empfindlichkeitsachse 45 Druckgeber zu schaffen, der auf einfache Weise und angeordnet ist und die Richtungen der Empfind- bei geringem Platzbedarf die Messung von in mehrere lichkeitsachsen der beiden an die Kraftübertra- Richtungen fallenden Kraftkomponenten erlaubt,
gungsscheiben (4, 5) angrenzenden Sätze piezo- Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch elektrischer Scheiben (21, 22 und 25, 26) in den gelöst, daß in dem Druckgeber ein Satz der die Piezo-Scheibenebenen um 90° gegeneinander versetzt 50 meßzelle bildenden piezoelektrischen Scheiben mit sind. einer zu den Kraftübertragungsscheiben senkrechten

5. Piezoelektrischer Mehrkomponenten-Druck- Empfindlichkeitsachse und mindestens ein weiterer geber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Sat/, piezoelektrischer Scheiben mit einer zu den dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Kraftübertragungsscheiben parallelverlaufenden Emp-Kraftübertragungsscheiben (112) als seismische 55 findlichkeitsachse vorgesehen sind.

Masse ausgebildet ist. Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen

6. Piezoelektrischer Mehrkomponcnten-Druck- Mehrkomponenten-Druckgeber weist also die Piezogeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, meßzelle Sätze von in verschiedenen Richtungen empdadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der findlichen piezoelektrischen Scheiben auf, welche auf Kraftübertragungsscheiben (111) als eine zur Be- 60 die in verschiedene Richtungen fallenden Druckfestigung des Druckgebers dienende Grundplatte und/oder Beschleunigungskomponenten ansprechen, ausgebildet ist. Das Problem der Kraftübertragung auf die Piezomeß-

zelle, die nicht wie bei den herkömmlichen Druckgebern nur in Achsrichtung des rohrförmigen Gehäu-

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektri- 65 ses zu erfolgen braucht, sondern auch quer dazu ersehen Mehrkomponenten-Druckgeber zur Messung folgen muß, wird mit Hilfe der Kraftübertragungsvon Druck und/oder Beschleunigung mit einer Piezo- scheiben gelöst, die mit den Enden des rohrförmigen meßzelle, die aus einer Anordnung aufeinanderlicgcn- Gehäuses mittels Kragcnparlien verbunden sind, die

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nicht nur in Längsrichtung des Gehäuses, sondern baut ist. Die Piezomeßzelle 3 ist zwischen Kraftüber-

auch quer dazu, elastisch sind. tragungsscheiben 4 und 5 angeordnet, die beide mit-

Sei eine, bevorzugten Ausführungsform der Erfin- tels quer- und längselastischer Kragenpartien 6 mit dung stehen die Kraftübertragungsscheiben über die dem Gehäuse 1 verbunden sind. Die Ausbildung der Enden des rohrförmigen Gehäuses über. Auf diese 5 Kragenpartien 6 ist für die Funktion des erfindungs-Weise ist gewährleistet, daß der Druckgeber mit die- gemäßen Mehrkomponenten-Druckgebers von erhebsen Kraftübertragungsscheiben unmittelbar zwischen iicher Bedeutung, denn sie müssen die Kraftübertra-Bauteilen einspannt werden kann, um sowohl die gungsscheiben 4 und 5 sowohl senkrecht als auch von diesen Bauteilen auf die Kraftübertragungsschei- parallel zu den Kraftübertragungsscheiben mit dem ben in Axialrichtung als auch in Radialrichtung zum io Gehäuse 1 elastisch verbinden. Gleichzeitig müssen Gehäuse ausgeübten Kräfte zu messen. Zur Befesti- die Kragenpartien 6 gewährleisten, daß die Kraftgung des Druckgebers kann es dann besonders vor- Übertragungsscheiben 4 und 5 auf die Piezomeßteilhafi sein, wenn die Übertragungsscheiben und die zelle 3 eine konstante mechanische Vorspannung aus-Piezomeßzelle je eine zentrale Bohning aufweisen, üben, dai/.it durch eine Spaltfederwirkung bedingte die Kraftübertragungsscheiben am Rand der zentra- 15 Fehler vermieden werden. Die Kräftübertragungslen Bohrung mit je einer elastischen Kragenpartie scheiben 4 und 5 sowie die Piezomeßzelle 3 weisen versehen und diese Kragenpartien mit den Enden eine zentrale Bohrung auf, durch die sich ein elastieines elastischen Rohres unter mechanischer Vor- sches Rohr 8 hindurch erstreckt, das an seinen Enden spannung verbunden sind. Ein solches zentrales Rohr mit elastischen Kragenpartien ?■ -erbunden ist, die an ermöglicht das Hindurchführen von Befctigungsbol- 20 den Rändern der zentralen Bohrun_fcen der Kraftüberzen u. dgl. durch den Druckgeber oder das Befestigen tragungsscheiben 4 und 5 vorgesehen sind. Auch die des Druckgeh°rs auf Stangen, Wellen u. dgl., wo- Verbindungen /wischen dem elastischen Rohr 8 und durch dessen Einsatzmöglichkeiten bedeutend erhöht den Kragenpartien 9 wird so hergestellt, daß das werden. ■ elastische Rohr 8 unter einer konstanten Vorspan-Soll der erfindungsgemäße piezoelektrische Mehr- 35 nung steht, und zwar wird diese Vorspannung mit komponenten-Druckgeber zur Messung von Beschleu- Hilfe einer speziellen Schweißvorrichtung beim Einbau nigunger. eingesetzt werden, so kann wenigstens eine der Piezomeßzelle 3 in das Gehäuse 1 erzeugt, wenn der Kraftübertragungsscheiben unmittelbar als seis- die Kragenpartien der Kraftübertragungsscheiben mil mische Masse ausgebildet sein. dem Gehäuse 1 und dem elastischen Rohr 8 ver-

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in 30 schweißt werden. Es wäre allerdings auch mödich.

der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele die Kraftübertragungsscheiben mit dem Gehäuse 1

naher beschrieben und erläutert. Es zeigt und oder dem elastischen Rohr statt durch eine

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen piezoelek- Schweißung durch eine Bördelung zu verbinden,

frischen Mehrkomponenten-Druckgeber nach der Er- Zur Zentrierung der Piezomeßzelle 3 während der

findung 35 Montage wird in das Gehäuse 1 ein Zentrierring 7 ein-

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Druckgeber gesetzt, der einen Ausschnitt für die Elektroden 10

nach F ig. 1. der Piezomeßzelle 3 aufweist. Der Zentrierring 7 be-

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Piezo- steht aus einem hochisolierenden Material und weist

meßzelle des Druckgebtrs nach F i g. 1, a/i seiner inneren Mantelfläche eingestochene Nuten

F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen weiteren 40 auf, um ihm gegenüber der Piezomeßzelle 3 eine aus-

piw-zoelektrischenMehrkomponenten-Druckgebernach reichende Elastizität zu verleihen. Bei der Montage

der Erfindung und wird weiterhin die obere Kraftfübertragungsscheibe 4

Fig. 5 und 6 Längsschnitte dirch Meßanordnun- erst aufgesetzt, nachdem die Elektroden 10 derPiezogen unter Verwei.dung eines piezoelektrischen Mehr- meßzelle mit den Steckerstiften 11 der Steckerbuchkomponenten-Druckgebers nach Fig. 1. 45 sen 2 verbunden worden sind. Anschließend wird die

Das Prinzip des erfindungsgemäße.i piezoelektri- Kraftübertragungsscheibe 4 unter Vorspannung mit

sehen Mehrkomponen.in-Druckgebers soll zunächst dem Gehäuse 1 verbunden. Die Steckerstifte 11 sind

an Hand des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Aus- in hochisolierende Durchführungen 12 eingesetzt, die

führungsbeispieles erläutert werden, das zur Messung ihrerseits in den Steckerbuchsen 2 fest und dicht an-

von drei senkrecht aufeinanderstellenden Druckkom- se geordnet sind. Die Steckerbuchsen 2 gestatten das

ponenten ausgebildet ist. Ähnliche Ausführungsfor- Einführen handelsüblicher Kabelstecker,

men des erfindungsgemäßen Druckgebers können zur Wie aus Fip. 3 ersichtlich, besteht die Piezomeß-

Messung von zwei oder auch mehr al^c drei Druck- zelle des Druckgebers nach den F i g. 1 und 2 aus

komponenten ausgebildet sein. Die in den F i g. 1 insgesamt sechs piezoelektrischen Scheiben 21 bis 26, und 2 dargestellte Ausführungsfonn der Erfindung 55 die drei aus je zwei Scheiben bestehende Sätze mit

zeichnet sich insbesondere durch eine geringe Bau- verschieden gerichteten Empfindlichkeitsachsen bil-

höhe aus und ist vor allem für Untersuchungen an den. Die Anwendung von Sätzen mit zwei piezoelek-

Maschinenelementen geeignet. trischen Scheiben bietet die Möglichkeit, die je einem

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, weist der im Satz piezoelektrischer Scheiben zugeordnete Abführ-Ausführungsbeispiel dargestellte Druckgeber ein Ge- 60 elektrode 20 bzw. 27 bzw. 28 zwischen den beiden häuse 1 auf, das aus einer runden oder viereckigen zu einem Satz gehörenden Scheiben anzuordnen. Die Platte mit einer Durchgangsbohrung besteht. In eine piezoelektrischen Scheiben 21 und 22 sind in einer Seitenwand dieses Gehäuses 1 sind Steckerbuchsen 2 solchen Weise aus einem piezoelektrischen Kristall eingesetzt. Bei anderen Ausführungsformen der Er- herausgeschnitten, daß sie bei einer Schiibbeansprufindung können solche Steckerbuchsen auch auf ver- 65 chung in der Scheibenebene an der einen Sclicihenschiedene Seiten des Gehäuses verteilt sein. Innerhalb oberfläche positive ur.d an der anderen Scheibendes Gehäuses ist eine Piezomeßzelle 3 angeordnet, oberfläche negative Ladungen abgeben. Auf den beidie aus mehreren piezoelektrischen Scheiben aufge- den Scheiben 21 und 22 wird die Emplindlichkeits-

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achse 30, also die Achse der größten Schubcmpfind- gungsschcibe 112 zu vermeiden oder wenigstens zu

lichkcit, markiert, und es werden die beiden Emp- reduzieren, wird diese Kraftübertragungsscheibc im

findlichkeitsachscn bei der Montage zur Deckung ge- Bereich ihrer Mitte mit einer Membran 118 verbun-

braclit. Die Scheiben 23 und 24 des zweiten Satzes den, die ihrerseits längs ihres äußeren Randes zwi-

weisen den Standardschnitt auf, so daß bei einer zur 5 sehen einem Schraubring und der Schulter 119 eines

Scheibenebenc senkrechten Belastung auf der einen Gehäuses 117 eingeklemmt ist. Die die Grundplatte

Oberfläche positive und auf der anderen Oberfläche bildende Kraftübertragungsscheibe 111 ist mit dem

negative Ladungen entstehen. Die beiden Scheiben 25 Gehäuse 117 fest verschraubt. Im Gehäuse 117 sind

und 26 des dritten Satzes sind mit dem gleichen auch die Slcckcrbuchsen 114 befestigt, die zum elck-

Schnitt hergestellt wie die Scheiben 21 und 22 des io Irischen Anschluß des Druckgebers an ein Meßgerät

ersten Satzes, jedoch sind die Empfindlichkcitsachsen dienen. Die Anordnung der Membran 118 beein-

31 dieser beiden Scheiben gegenüber der Empfind- trächtigt die Beweglichkeit der die seismische Masse

lichkeilsachse 30 der oberen beiden Scheiben 21 und bildenden Kraftübertragungsscheibe parallel zu deren

22 um 90' verdreht. Alle äußeren Flächen der Schci- Druckfläche, jeJoch hat die reduzierte Beweglichkeit

bcn der drei Scheibensätze sind mit einer Sammcl- 15 nur eine Verminderung der Empfindlichkeit des

elektrode 29 verbunden, die ihrerseits über die Kraft- Druckgebers zur Folge, die leicht berücksichtigt wer-

übeuragungsschcibcn 4 und 5 mit dem Gehäuse 1 in den kann. Wird dagegen zur Messung kleiner Qucr-

clektrisch leitender Verbindung steht. Die Elektro- beschleunigungcn eine hohe Empfindlichkeit parallel

den bestehen üblicherweise aus dünnen, vergoldeten zu den Kraflübcrtragungsschciben verlangt, kann die

Stahlblechen, die mittels Punktschweißung leicht mit- ao Membran 118 auch ohne weiteres fortgelassen

einander und mit den Steckerstiften 11 verbunden werden,

werden können. Obwohl der piezoelektrische Mehrkomponcntcn-

An Stelle von zwei piezoelektrischen Scheiben kann Druckgeber nach den F i g. 1 und 2 im wesentlichen

für jeden Satz der Piezomcßzelle 3 auch nur eine zur Messung von Drücken und der Mehrkomponen-

piczoclcktrischc Scheibe verwendet werden, jedoch 15 ten-Druckge!-r nach Fig. 4 speziell zur Messung

muß dann an Stelle der zweiten piezoelektrischen von Beschleunigungen ausgebildet ist, kann auch der

Scheibe eine Isolierscheibe oder Isolierfolie eingelegt Druckgeber nach den F i g. 1 und 2 ohne weiteres

werden. Die Verwendung nur einer piezoelektrischen zur Messung von Beschleunigungen eingesetzt wcr-

Schcibc für jeden Satz der Piezomcßzelle ermöglicht den, so daß der Druckgeber nach den Fig. 1 und 2

eine Verminderung der Bauhöhe des Druckgebers, 30 als Standard-Mehrkomponenten-Druckgcber bezeich-

ist jedoch auch mit einer Reduktion des Ausgangs- net werden kann. Wie F i g. 5 zeigt, kann bcispiels-

signals jedes Satzes der Piezomeßzclle auf die Hälfte weise auf einen solchen Standard-Mehrkomponcnlcn-

vcrbundcn. Druckgeber 122 mittels einer Schraube 121 eine

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines piezo- Masse 123 aufgeschraubt werden, die bei Bcschlcuelcktrischen Mchrkomponenten-Druckgcbers, der zur 35 nigungen entsprechende Druckkräfte auf den Stan-Messung von Beschleunigungen ausgebildet ist. In dard-Mehrkomponenten-Druckgeber überträgt. Bei diesem Fall ist die Piezomeßzelle 110 zwischen zwei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist dagegen ein Kraftübertragungsscheiben 111 und 112 eingespannt, Standard-Mehrkomponenten-Dnickgeber 130 mittels von denen die eine Kraftübertragungsscheibe 112 als eines Zentrierstiftes 131 in ein Gehäuse 132 eingcscismischc Masse ausgebildet ist, die mittels eines 40 baut, in dem sich auch eine seismische Masse 133 elastischen Rohres 113 mit der anderen Kraftübertra- befindet, die mittels eines Schraubdeckels 134 gegen gungsschcibe 111 verbunden ist, die ihrerseits als den Standard-Mehrkomponenten-Druckgcber 130 geeine zur Befestigung des Druckgebers dienende drückt wird. Ein zentraler Vorsprung 135 an der der Grundplatte ausgebildet ist. Zu diesem Zweck ist das Masse 133 zugewandten Seite des Schraubdeckels 134 elastische Rohr 113 an einem Ende mit einer Ring- 45 dient zur Zentrierung der Masse 133.
fläche 115 an der anderen Kraftübcrliagungsschcibc Die Anwendungsbeispielc nach den Fig. 5 und 6 111 unter mechanischer Vorspannung verschweißt. machen deutlich, daß die erfindungsgemäßen pie: >Zur Zentrierung der Piezomcßzelle 110 in dem ela- elektrischen Mehrkomponenten Druckgeber auf vicl- stischcn Rohr 113 dient wiederum ein scgmentförmig fähige Weise einsehbar sind und insbesondere auch ausgeschnittener Ring 116. Um Nickschwingungen 50 die Messung komplizierter Besehleunigunjgsvorgänge der die seismische Masse bildenden Kraftübertra- ermöglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

1 2 ' der piezoelektrischer Scheiben besteht und unter me- Patentanspruche: chanischer Vorspannung in ein hermetisch abge-

1. Piezoelektrischer Mehrkomponenten-Druck- schlossenes, rohrförmiges Gehäuse zwischen zwei geber zur Messung von Druck und/oder Beschleu- Kraftübertragungsscheiben eingespannt ist, deren nigung mit einer Piezomeßzelle, die aus einer An- S Ränder mittels quer- und längselastischer Kragenparordnung aufeinanderliegender piezoelektrischer tien mit den Enden des rohrförmigen Gehäuses verScheiben besteht und unter mechanischer Vor- bunden sind. _u
spannung in ein hermetisch abgeschlossenes, rohr- Bei bekannten piezoelektrischen Druckgeuern förmiges Gehäuse zwischen zvei Kraftübertra- (deutsche Auslegeschrift 1235 032) ist die Piezoir.eßgungsscheiben eingespannt ist, deren Ränder mit-io zelle in eine unter Längsspanmmg stehende Vortels quer- und längselastischer Kragenpartien mit spannhülse eingebaut. Für derartige Anordnungen ist den Enden des rohrförmigen Gehäuses verbunden es typisch, daß sie nur in Axialrichtung der Vorspannsind, dadurch gekennzeichnet, daß ein hülse empfindlich sind. Sollen die in mehrere Rk h-Satz der die Piezomeßzelle (3) bildenden piezo- tungen fallenden Komponenten von Kräften oder Beelektrischen Scheiben (23, 24) mit einer zu den 15 schkunigungen gemessen werden, müssen mehrere Kraftüber'-agungsscheiben (4, 5) senkrechten solcher Druckgeber eingesetzt werden. Hierfür ist Empfindln-hkeitsachse und mindestens ein weite- aber häufig kein Platz vorhanden. Das gleiche gilt rer Satz piezoelektrischer Scheiben (21, 22 und auch für die bekannten piezoelektrr hen Druckgeber. 25, 26) mit einer zu den Kraftübertragungsschei- die zur Messung vnn Beschleunigungen dienen und ben (4, 5) parallelverlaufenden Empfindlichkeits- ao bei denen ebenfalls die Piezomeßzelle zusammen mit achse (30 bzw. 31) vorgesehen sind. einer seismischen Masse in eine Vorspannhülse ein-

2. Piezoelektrischer Mernkomponenten-Druck- gebaut ist (deutsche Auslegeschrift 1 252 438).
geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. Es ist ferner b-jkanm, in verschiedenen Richtungen daß die Kraftübertragungsscheiben (4, 5) über die an einem Objekt angreifende Kräfte mit Hilfe von Enden des rohrförmigen Gehäuses (1) überstehen. 35 Dehnmeßstreifen zu messen. Die Messung in mehrere

3. Piezoelektrischer Mehrkomponenten-Druck- Richtungen fallender Komponenten von Kräften mit geber nach \nspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- Hilfe von Dehnmeßstreifen hat jedoch zur Vorauszeichnet, daß die Kraftüb^'tragungsscheiben (4, Setzung, spezielle Meßkörper zu bauen, die eine ge-5) und die Piezomeßzelle (3) je eine zentrale Boh- trennte Messung der einzelnen Kraftkomponenten er rung aufweise!, die Kraftübe-'ragungsscheiben (4, 30 möglichen. Solche Meßkörper, die zur einwandfreien 5) am Rand der zentralen Bohrung mit je einer Trennung der Kraftkomponenten in die verschiedcelastischen Kragenpartie (9) versehen und diese nen Wirkungsrichtungen weisende Dehnarme aufwei-Kragenpartien mit den Enden eines elastischen sen müssen, sind mechanisch sehr kompliziert und Rohres (8) unter mechanischer Vorspannung ver- haben den weiteren Nachteil, daß sie in den verscniebunden sind. 35 denen Richtungen eine unterschiedliche und zudem

4. Piezoelektrischer Mehrkomponenten-Druck- niedrige Steifigkeit aufweisen. Insbesondere die gegeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ringe Steifigkeit der Meßkörper hat bei manchen Andadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an die Wendungen erhebliche Nachteile, weil hierdurch die Kraftübertragungsscheiben (4,5) je ein Satz piezo- Eigenfrequenz der Meßanordnung sehr niedrig wird elektrischer Scheiben (21, 22 und 25, 26) mit zu 40 Aus diesen Gründen ist die Dehnmeßstreifentechnik den Kraftübertragungsscheiben (4, 3) parallelver- in vielen Fällen nicht oder nur mit geringem Erfolg laufenden Empfindlichkeitsachsen (30 bzw. 31) anwendbar.