DE1929478A1

DE1929478A1 - Piezomesszelle

Info

Publication number: DE1929478A1
Application number: DE19691929478
Authority: DE
Inventors: Sonderegger Dipl-Ing Ha Conrad; Spescha Dr Gelli
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1968-07-30
Filing date: 1969-06-11
Publication date: 1970-02-19
Also published as: DE1929478C3; GB1266362A; CH492968A; FR2013958A1; AT295191B; US3614488A; DE1929478B2

Description

KISTLER INSTRUMENTE AG WINTERTHUR

Piezomesszelle

In der Messtechnik sind öfter Probleme zu lösen, bei denen Kräfte in mehr als einer Komponente zu messen sind. Es können dies sowohl Druck-, Zug- und Schubkräfte oder auch Momente sein. Bekannte Messanordnungen für solche Mehrkomponenten-Messysteme werden meistens nach dem Dehnmesestreifenverfahren gebaut. Danach muss der die verschiedenen Kräfte aufnehmende Messkörper mechanisch so bearbeitet werden, dass sich einzelne komponenten getrennt feststellen lassen, was eine sehr komplizierte Formgebung notwendig macht. Dies rührt davon her, dass man vor allem verhindern muss, dass die verschiedenen Komponenten sich gegenseitig beeinflussen. Durch die Notwendigkeit, dass der Messkörper mechanisch in Verschiedene Dehnkomponenten

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unterteilt werden muss, ergibt sich unwillkürlich eine schwer herstellbare Bauform und insbesondere ein elastisches Gebilde, das in den verschiedenen Komponentenrichtungen meist ganz verschiedene Elastizitätsgrade besitzt und dadurch ein niedriges und ungleichmässigee Eigen frequenzverhalten aufweist Zudem ist die Herstellung solcher Mehrkomponenten-Messkörper auf Dehnmessstreifenbasis sehr teuer und nicht universell verwendbar. Wohl gibt es weitere Kraftmessverfahren, ™ z. B. auf induktiver oder kapazitiver Basis, die aber für Mehrkomponen-

ten-Kraftmeesung praktisch nie angewendet werden.

Bessere messtechnische Voraussetzungen bietet die Piezomesstechnik. Durch die Möglichkeit, dass Piezokristall«, hergestellt in verschiedenen Schnittrichtungen, eingesetzt werden können, die sich zur Messung von Druck- als auch von Schubkräften eignen, ergeben sich einfache, stabile Konstruktionen. Durch die Tatsache, dass in der Piezomesstechnik direkt Kräfte gemessen werden können ohne den Umweg Über eine Dehnung, eignet sich dieses System besonders gut für die Kraftmessung, da Piezokristall mechanische Eigenschaften von Metallen aufweisen, Zudem können Piezomesselemente mit grossen Kristallquerschnitten verwendet werden, wodurch gleichzeitig bei sehr grosser Starrheit eine sehr

hohe Empfindlichkeit erzielt werden kann. Das Verhältnis

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kann mit keinem anderen System auch nur annähernd erreicht werden.

der Erfindung werden Piezomesszellen mit einem Aufnahme-

_p der im wesentlichen aus zwei Kraf tübertragungs -

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platten gebildet ist, «wischen denen eich eine Mehrzahl von piezoelektrischen Platten befinden, die gegenseitig auswechselbar sind und je nach Orientierung der krftftempfindlichen Achsen zu einem Aufnehmer für Druck, Schub oder Drehmoment montiert «erden können. Qemäse der Erfindung stehen somit auf einfache Weise drei Grundelemente zur Verfugung, die sieh eiosig durch die Empfindlichkeitsrichtung der jeweils eingesetzten Kristallplatten unterscheiden und die durch mechanische Hintereinanderschaltung so kombiniert werden können, dass beliebige Mehrkomponenten-Messwertwandler entstehen.

Die Erfindung soll anhcsad von IS Figuren näher erläutert werden. Es «eigen:

Flg. I einen Querschnitt durch eine gelocMs» aefeeifoenförmige Piezomesszelle,

Fig. 2 die Aufsicht entsprechend Schnitt A- A der Figur 1.

Fig. 3 einen Querschnitt mit anderer konstruktiver Ausgestaltung einer scheibenförmigen Piesomessselle,

Flg. 4 die Aufsicht der gleichen Pietomeeezelle gemäss Schnitt B - B in Figur 3,

Flg. 5 einen Piezokristall, aus welchem zwei Piesoscheiben in verschiedenen Schnittrichtungen herausgearbeitet werden.

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Fig. 6 eine Piezoscheibe im Schnitt für Druckkraftmessung, Fig. 7 eine Piezoscheibe im Schnitt für Schubmessung,

Fig. 8 ein Anwendungsbeispiel für Zweikomponentenkraftmessung, Druck Z und Moment M₁

Fig. 9 ein Anwendungsbeispiel für Zweikomponentenkraftmessung, * Schub X, Druckkraft Z,

Fig. 10 ein Anwendungsbeiepiel für Dreikomponentenmessung und ein

Moment,

Fig. 11 einen Querschnitt durch eine mögliche Aueführungsform einer Piezomesszelle für Momentmessung,

Fig. 12 einen Querschnitt durch eine mögliche Ausführungsform einer Piezomesszelle für Schubmessung.

Es sind noch andere Kombinationsmöglichkeiten in der Anwendung der einzelnen Messzellen denkbar, die ebenfalls zur Erfindung gehören. Es ist ferner auch möglich, zwei oder mehr Einzelzellen in einem Gehäuse mit separaten Anschlüssen der einzelnen Komponentenanordnungen unterzubringen. Für die vorgesehene Verwendung eignet sich als Piezokristall in erster Linie Quarz. Die Erfindung ist jedoch auf andere piezoelektrische Materialien ohne weiteres anwendbar. Anstelle von einzelnen Piezokristallen können auch piez.oresietive auf Halbleiterbasis stehende

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Kristallacheiben in die erfindungsgem&ssen Elemente eingebaut werden. Ee ergeben sich dann allerdinge mehradrige Anschlussverhältnisse. Die Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine mögliche Aueführungeform einer Piezomesszelle, die for Drehmomentmessung vorgesehen ist. Sie besteht aue den Uebertragungsplatten 1 und 2, welche durch einen dünnen Innenmantel 3 und einen Ausssnmantel 4 miteinander unter mechanischer Vorspannung verbunden sind. Die Verbindung geschieht zweckmassiger weise mit Ringechweissung 5, 8 usw. Auf der Uebertragongeplatte 1 liegen die Piezoscheiben 7 in direktem Kontakt, wodurch positive Ladungen bei Einwirkung eines Drehmomente direkt auf das Gehäuse und dann auf die Gewindepartie 8 des Anschlusssteckers übertragen werden. Die ringförmige Elektrode 9 liegt auf der anderen Seite der Kristalle 7 und nimmt die entsprechenden negativen Ladungen auf· welche dem zentralen Kontakt 10 im Anschlussstecker übertragen werden. Zwischen der Elektrode 9 und der Ujebertragungsplatte 2 liegt die scheibenförmige Isolierplatte 11, bestehend aus einem hochisolierendem Material, z.B. Aluminiumoxyd. Es sind aber auch andere hochisolierende und hochfeste Isolatormaterialien bekannt. Die drei Einheiten Piezokristall, Elektrode und Isolierscheibe sind durch einen inneren Isolatorring 12 und einen äusseren Ieolatorring 18 so zentriert, dass Wandberührung am Innern und am äusseren Umfang vermieden wird. Mit diesen Zentrierringen kann die ganze Krietalleinheit während dem Montagevorgang leicht von

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- 6 einer Station zur anderen transportiert werden.

Iu Figur 2 ist das in Figur 1 gezeigte Piezomesselement in Ansicht nach Schnitt A-A gezeigt. Die austere möglichst dünn gehaltene rohrförmige Wand 24 sowie die innere ebenso dann gehaltene Wand 23 sind im Schnitt '^: gezeigt. 21 und 22 stellen den äusseren und inneren Isolations- und Zentrierring dar. Die Piezoscheiben 27 sind in ihrer schubempfindlichen ^ Achse bezeichnet. Diese Achsen werden bei der Montage genau tangential

sam mittleren Durchmesserkreis D gerichtet. Auf diese Weise werden die Piezoscheiben 27 bei Einwirkung eines Drehmoments auf die Uebertragungsplatten 1 und 2 einzeln auf Schub beansprucht, wodurch sie entsprechend Ladung an die Elektrode 9 und damit an die Steckerpartie 10 abgeben.

In Figur 3 ist eine einfachere Konstruktion eines Piezomesselements gezeigt, bei welchem der Raum zwischen den beiden Uebertragungsplatten " 3Ϊ und 32 und den Innenteilen mit einem Epoxydkunstharz 33 ausgefüllt

ist. Die Uebertragungsplatten 31 und 32 bestehen aus einem Isoliermaterial, ζ. B. Aluminiumoxyd. Die Ringplatte 34 aus Metall weist einen Lappen 35 auf, an welchen die metallische Abschirmung 36 des Anschluss· kabeis 37 aufgelötet ist. Der Innenleiter 38 ist mit der scheibenförmigen Elektrode 39 verbunden. Zwischen Ringplatte 34 und Elektrode 3Θ liegen die Piezoscheiben 40.

Figur 4 zeigt das Fiezomesselement in Ansicht entsprechend Schnitt B -B'

Figur 3. Öle einzelnen Piesokristallscheiben 47 sind wiederum in 009808/1121

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einer schubempfindlichen Achse bezeichnet. Bei der Montage des Messelemente werden alt Achsen nun alle genau parallel zur X-Achse gerichtet, worauf die scheibenförmige Elektrode 39 und die Uebertragungsplatte 31 aufgelegt werden. Hierauf wird das ganze Messelement unter Vakuum gelegt, eingebettet in einer speziellen Qieesform, und mit einem hochisolierenden Epoxydharz ausgegossen. Die Anschlusspartie 49 wird anschliessend mit einem Silikonkautschuk 50 umgegossen. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln ein Piezomesselement, das für Schub in der X-Achse empfindlich 1st, hergestellt weif den. ,Durch physikalisch bedingte Eigenschaften der Piezokristall* haben Kräfte in der Z- und Y-Achse keinen Signaleiraflus«. Eo ist ssHsstviärständlich, dass beide Konstruktionsformen wahlweise für Moment- odes? für Schubmessung gebaut werden können. Es ist auch ohne weiteres mttgliei« anstelle des Isolatorrings 11 eine zweite gleichgerichtete Plezoscheibe, wie Scheibe 7, anzuordnen. Auf diese Welse kann das doppelte Signal zwischen beiden Kristallscheiben mit Elektroden 9 abgenommen werden. Eine Anordnung, die sehr, üblich ist und womit Isolations scheiben umgangen werden können. Die beiden erfindungsgemäs sen Piezoelemente unterscheiden sich im wesentlichen lediglich durch die Orientierung der einzelnen Kristallschei ben wie auch aus Figur 2 und 4 deutlich hervorgeht.

In Figur 5 ist als Beispiel ein natürlicher Quarzkristall 51 mit den bekannten Achsen X, Y und Z gezeigt. Zur Herstellung einer auf Druck P empfindlichen Scheibe gemüse Figur 6 muss die Piezoßcheibe 52 in der . Ebene Y, Z aus dem Kristall geschnitten werden. Die Kr&fteinleitung

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erfolgt dann parallel but X-Achse und die elektrischen Ladungen entstehen dann auf den oberen und unteren Kreisflächen. Um eine auf Schub beanepruchbare Piesoscheibe entsprechend Figur 7 herzustellen, muss die» selbe in der Ebene X. Z aus dem Kristall 51 geschnitten werden. Die Scheibe 53, Figur 5, ist dann gemäss Figur 7 in Richtung der X-Achse empfindlich auf Schubkräfte P. Entsprechende Ladungen werden wiederum an den kreisförmigen oberen und unteren Begrensungsfläehen abgegeben. Diese Scheiben sind in der Y- und Z-Richtung kraftunempfindlieh« Aehnliche Kraftorientierungen kennen auch mit anderen Kristallen erreicht werden. Es ist aber auch möglich, solche Wirkungen mit piezokeramischen Scheiben su erzielen. Es ist ferner auch möglich« ähnlich ' empfindliche Halbleiterkristalle herzustellen, die piesoreeisüv« Eigenschaften aufweisen.

In Figur 8 ist die Anwendung von swei Piesomesselementen in einer Anwendung gezeigt* wo mit einem VersuehswerketOck 81 mit einem Bohr- oder Fräswerkzeug 81 Bsarbeitungsversuche durchgeführt werden sollen.

Dabei sind Drehmoment M und Vorsehubkraft in Z-Richtung su messen.

Für eine solche Anwendung wird ein Drehmoment-Piezomeeselement 88 entsprechend Figur I und 2 nut einem standardmissigen Piesokraftmesselement 84 so zusammengebaut, dass die beiden Messelemente mit einer Dehnschraube 85 auf die Unterlage 86 gespannt werden. Das von dieser - Vorspannung herrf&rende Messignal kasna auf Q gebracht werden. Dagegen können nun die Bohrer?ore&-&ti»kraft in Z-Richtung sowie das Reaküonemoment M des Bohrers 82 mit sehr grosser Auflösung vollständig un-

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abhängig voneinander registriert werden. Durch die grossen Querschnitte der Kristalle wird das ganze Messystem äusserst starr, wodurch auch sehr hochfrequente Kraft- und Momentvariationen messbar sind.

In Figur 9 ist ein weiteres Anwendungebeispiel gezeigt, bei welchem auf dem Versuchsstück 91 Fräs- oder Schleifuntersuchungen durchgeführt werden sollen, wobei Kräfte in Z- und X-Richtung gemessen werden sollen. Dazu wird in ähnlicher Weise wiederum ein Piezomesselement für Druck 94 und ein Piezomesselement für Schub 93 gemäss Figur 3 und 4 verwendet und wiederum mittels Spannschraube auf die Unterlage 96 gespannt.

In Figur 10 ist eine Versuchsanordnung als Beispiel dargestellt, bei welcher auf das Versuchsstück 101 durch auftreffende Partikel 102 entsprechende Eeaktionskräfte in allen drei Kraftebenen X, Y und Z, zusätzlich aber auch das Moment M gemessen werden soll. Durch mechanische Hintereinanderschaltung der einzelnen Piezomesselemente 104 für Kraft in der Z-Achse, 105 für Schub in der Y-Achse, 106 für Schub in der X-Achse und 107 für Momentmessung gestaltet sich das komplizierte Messproblem sehr einfach. Wiederum durch Vorspannung mittels Schraube wird die gesamte Messeinheit zu einer starren und hochfrequenten Anordnung.

In Figur 11 lot eine weitere mögliche Ausführungsform einer Piezomessz«I'e fite Drehmomentmessung im Querschnitt gezeigt. Die Grundplatte 110 weist einen u-formigen Qieereclaütt auf mit den beiden dünnen, rohr-

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förmigen Wandpartien 112 und 113. Die Uebertragungsplatte 114 ist mit zwei dünnen rohrförmigen Ringetücken 115 und 116 verbunden, die ihrerseits durch Ringschweissungen 117 und 118 mit den u-förmigen Endpartien 112 und 113 der Grundplatte 110 verbunden sind. Diese Faltenkonstruktion ist so durchgeführt, dass die Uebertragungepiatte 114 unter Vorspannung gegen die Messanordnung und die Grundplatte 110 drückt. Die Messanordnung besteht aus den Piecoscheiben Ii 9, die in einer Schichtplatte, ™ z. B. aus Epoxy.eingehettet sein können« der Elektrodenscheibe 120 und

der Isolator scheibe 121.

Die Elektrodenscheibe 120 wird via Steckkontakt 122 mit dem Anschluss 123 verbunden. Anstelle der leolaS^recheibe 121 können auch Piezoscheiben verwendet werden. Dabei ist es ohne weiteres möglich, dass diese zweite Schichtplatte (121) Piesosciieiben aufweist deren Empfindlichkeit» achsen eine andere Richtung aufweisen als diejenigen der SchichtplaUe 119. Die Kristallanordnung kann durch säw<gi Isolatorring® 124 und 125 zentriert und gehaltert werden. Es ist aber auch ohne weiteres möglich» dass die Kristallscheiben in einer Epoxyscheibe eingegossen sind, wie in Figur 3 und Figur 4 gezeigt ist. Durch die elastische Verbindung der Ueber« tragußgsplatte 114 mit der Grundplatte 110 wird die Empfindlichkeit der Messanordnung auf Drehmoment nur sehr wenig verändert, da die Steifigkeit derselben weitaus höher ist.

Eine weiter® mögliche / nasführungeform einer Piezomesszelle, die sowohl fib ii?«i»mi?m.*isi «Is auch für Schub und Druck verwendbar ist, wird *

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in Figur 12 gezeigt. Sum Unterschied gegenüber Figur 11 ist die Uebertragungsnlatte 181 in swei AehMn« X wsa Y. elft®iieeh mit der u-fOrmigen Grundplatte 130 mutomAtäme Dasu sind die dOnnwasdigen, u-förmigen SSnden der Grundplatte IS© mit !fiagföraali^n Wnleften 132 und ί ÄS versehen, mit welchen die uVmaraaMgaa Ringe 135 uaä 136 unter Vorepmn-HUBf in X-Riehtwng verechweisai sind» Dadareh entstehen Ringepelte 134 und 1S7. welche eins Slaetisl«! der üebertmgimesplafte 131 in Y-Richtung er gebest Die'Mee^oordsaoB^ ist «iederism' wie in Figur 11 erklärt.

Einfache Lossage» lassen sieh abeg» auch erzielen, wenn die einzelnen

Pieaamesfi^iemeSits «&s® s^ssfeal® Esfestmg ausgeführt sind, Das Problem derVÖrepannttng^na«fi8 Smm €or©& Ee«ItslSiWiffiRiag von aussen, z. B. durch HOlee, gelöst werdest I3s falten natfirlleli auch solche Anwendungen unter den Gedanken der Erfindung.

Die Erfindung gestattet somit auch, beliebige Mehrkraftkomponenten- und Momentenmessungen an Versisehsgegenetinden auf einfache Art durchzufahren» indem durch Kombination einzelner Piezomesselemente und durch mechanische Vorspanftong derselben ein starrer Messaufbau erreicht werden kann. Die Konstruktion der einzelnen Piezomesselemente kann nach einheitlichen. Geelehtapunkten erfolgen, ob das Element auf Druck, Schub oder Moment verwendet werden soll, indem lediglich die Empfind-Uehfcsitsachsen der Piezokristall© bei der Montage entsprechend gerichtet werden. Es ist ffiuco denkb&r. dass anstelle der scheibenförmigen EinzelkriaUlle auch solche mit einer anderen, z.B. viereckigen oder

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trapezförmigen Gestalt, eingebaut werden können. Herstellungsmäööig ist Jedoch eine kreisrunde Scheibe wesentlich einfacher und billiger. Auch die Konstruktion des Plezomesseiements; ob ee nach dem Prinzip nach Figur i, 3, Il oder 12 gebaut wird, hai auf den Gedanken der Erfindung" keinen Einfluss. Es ist auch im Rahmen der Erfindung, dass nur eine der beiden Piezoinesszellen mit Kristallanordnungenach Figur 2, Figur 4 in eitie Messänläge eingebaut werden kann; Die Piesozellezi sind somit elit-7.ein oder in beliebiger Kombination entsprechend den Messanforderungen einsetzbar.

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Claims

Patentansprüche

1.) Piezomesszelle mit einem Aufnahmekörper, der im wesentlichen aus zwei Kraftübertragungsplatten gebildet ist, dadurch gekennzeichnet» dass sich zwischen den Platten (1,2) eine Mehrzahl von piezoelektrischen Platten (27, 47) befinden, welche auswechselbar sind und je nach Orientierung der kraftempfindlichen Achsen (52, 53) zu einem Aufnehmer für Druck-, Schub oder Drehmoment montiert werden können.

2. Piezomesszelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen piezoelektrischen Platten (27,47) vorzugsweise scheibenförmig gestaltet sind und unabhängig vom Kristallschnitt (52,53) gleiche Dimensionen aufweisen und in Halteringe (21,22) eingebaut sind, mit welchen die Empfindlichkeitsacheen der einzelnen Platten bis zum Einbau festgehalten sind.

3. Piezomesszelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsplatten (1,2) als Scheiben mit zentraler Bohrung ausgebildet und durch dünnwandige Rohrstücke (3,4) unter Vorspannung verbunden sind. _ .

4. Piezomesszelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper (110) einen u-förmigen Ringquerschnitt aufweist, in welchem die Messanordnung (119,120) unter axialer Vorspannung so eingebaut ist, dass die Uebertragungsplatte (114) gegenüber dem Aufnahmekörper (110) elastisch ist.

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5. Piezomesszelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kraftübertragungsplatten (130, 131) mehr als nur ein in einer Achsrichtung empfindliches Messystem eingebaut ist.

6. Piezomesszelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in sieb abgeschlossene Einzelmess wandler (104, 105, 106, 107), die in verschiedene Richtungen empfindlich sind, mit bekannten Vorspannmitteln zu einer Messeinheit zusammengebaut sind.

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