DE19820005A1

DE19820005A1 - Flächiger Sensor

Info

Publication number: DE19820005A1
Application number: DE1998120005
Authority: DE
Inventors: Jan Braasch
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1998-05-06
Publication date: 1999-11-11
Anticipated expiration: 2018-05-07
Also published as: DE19820005B4

Abstract

Es ist bekannt die Temperatur von temperaturabhängig sich ausdehnenden Baugruppen, insbesondere Meßsystemen, zu ermitteln, um diese zu kompensieren. Dafür werden Sensoren mit temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit benutzt. DOLLAR A Erfindungsgemäß soll dabei ein flächiger Sensor benutzt werden, der spezielle Strukturelemente mit temperaturabhängiger elektrischer Leitfähigkeit über die gesamte zu messende Länge aufweist. Dies weist den Vorteil auf, daß die Temperatur über dem gesamten Sensor gemessen wird. Diese Strukturelemente werden zu Spuren zusammengeschaltet und mit einer auf dem Sensor integrierten Elektronik verbunden. Der Sensor weist auf der Rückseite eine Klebeschicht auf, wodurch er einfach auf das zu messende Bauteil aufgeklebt werden kann. Die Länge des Sensors kann aufgrund der verteilten Strukturelemente durch einfaches Abschneiden beliebig eingestellt werden. Als Schutz wird nach der Montage eine Schutzschicht auf den Sensor aufgeklebt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen flächigen Sensor gemäß dem Ober begriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Anpassung für einen spe ziellen Anwendungsfall gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14 und eine Verwendung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.

Aus der EP 349 783 B1 ist bekannt, daß Temperaturen an Werkzeugma schinen ermittelt werden, um deren temperaturabhängige Ausdehnung zu ermitteln und zu kompensieren. Für die temperaturabhängige Ausdehnung ist dabei jeweils der gesamte Temperaturverlauf über dem sich ausdehnen den Maschinenteil zu erfassen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß ein Wi derstand benutzt wird, der sich in der Ausdehnungsrichtung des Maschi nenteils erstreckt und der einen intensiven thermischen Kontakt zum Ma schinenteil aufweist. Der verwendete Widerstand weist dabei ein zur mittle ren Temperatur und damit zur Gesamtausdehnung proportional es Aus gangssignal auf. Zur Kontaktierung sind an den beiden Enden des Wider stands entsprechende Kontaktelemente vorgesehen.

Dabei ist von Nachteil, daß für jede benötigte Länge ein individueller Wider stand bereitgestellt werden muß. Weiterhin können Störeffekte, die den Wi derstand beeinflussen und das Meßergebnis verfälschen, wie z. B. Alterung, nicht kompensiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor anzugeben, der die genannten Nachteile vermeidet, der universell einsetzbar und ko stengünstig zu produzieren ist. Weiterhin soll ein einfaches Verfahren zur in dividuellen Anpassung des Sensors an individuelle Gegebenheiten angege ben werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 14 und eine Verwendung gemäß den Merkmalen des Anspruch 18 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen ab hängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß besteht der Sensor aus mehreren Spuren, die jeweils mit einander verbundene Strukturelemente mit temperaturabhängiger elektri scher Leitfähigkeit aufweisen. Dabei bestehen die unterschiedlichen Spuren aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlicher Temperaturabhängigkeit ihrer Leitfähigkeit. Weiterhin vorteilhaft ist, daß bei einem vierspurigen Sensor auch bei einer Längenänderung kein neuer Ab gleich in der Auswerteelektronik erforderlich wird. Die Ausgangssignale des Sensors sind längenunabhängig.

Das Verfahren weist den Vorteil auf, daß aufgrund der Parallelschaltung der Strukturelemente die Widerstandselemente mit temperaturabhängiger Leit fähigkeit gleichmäßig über die gesamte Länge des Sensors verteilt sind, wo durch die Möglichkeit besteht, den Sensor besonders einfach in der benö tigten Länge abzuschneiden. Weiterhin wird dadurch vorteilhaft die Tempe ratur über der gesamten Sensorlänge gemessen.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Sensors sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben aus der nachfolgenden Be schreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine erste Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen flä chigen Sensors mit zwei Spuren in Reihe geschalteter Struktu relemente und Auswerteelektronik,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen flächigen Sensor mit Auswerteelektronik,

Fig. 3 eine zweite Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen flächigen Sensors mit vier Spuren parallel geschalteter Struktu relemente mit Auswerteelektronik und

Fig. 4 eine weitere Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen flächigen Sensors mit vier Spuren parallel geschalteter Struktu relemente.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird von einer Anwendung des erfin dungsgemäßen Sensors als Temperatursensor ausgegangen.

Fig. 1 zeigt einen flächigen Temperatursensor S zum Aufkleben auf die Oberfläche eines Maschinenteils, dessen thermische Dehnung bestimmt werden soll. Der Sensor S besteht aus einer ersten Spur SP5, die sich aus in Reihe geschalteten Strukturelementen ST3 mit einer temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeit zusammensetzt. Die einzelnen Strukturelemente ST3 werden über Verbindungselemente in Form von Lötpads VE, die jeweils zwischen zwei Strukturelementen ST3 angeordnet sind, verbunden. Die zweite Spur SP6 ist identisch zur ersten ausgebildet und zur ersten Spur SP5 benachbart angeordnet.

Weiterhin sind auf der Seite mit der Zuleitung elektronische Baugruppen an gedeutet, die eine Verstärkung V und/oder eine Auswertung AW des Aus gangssignals des Sensors S durchführen.

Die Länge des Sensors S übersteigt meist die vom Anwender benötigte Länge. In diesem Fall kann der Anwender die nicht benötigte Länge des Sensors S einfach entlang einer Schnittlinie SL abtrennen. Dies erfolgt im wesentlichen senkrecht zu den Spuren SP5 und SP6. Auf diese besonders anwenderfreundliche und einfache Art kann die Länge des Sensors S vom Benutzer eingestellt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß nur auf der Länge des Sensors S mit Strukturelementen ST3 eine Temperaturmessung erfolgt, auf der Länge des Sensors S mit den elektronischen Baugruppen V und AW erfolgt keine Temperaturmessung.

Anschließend sind die beiden nunmehr am Ende des Sensors S gelegenen Verbindungselemente VE durch einen Lötpunkt LP oder eine andere elek trisch leitende Verbindung zu überbrücken, wie in Fig. 1 dargestellt.

Die Befestigung des Sensors S erfolgt mittels der in Fig. 2 dargestellten wärmeleitenden Klebeschicht KS auf der Rückseite des Sensors S an dem Maschinenteil. Als Klebeschicht KS kann vorteilhaft Preciment verwendet werden.

Anschließend besteht die Möglichkeit eine Schutzschicht auf den Sensor S aufzubringen, beispielsweise indem man eine Folie entsprechender Dicke und Festigkeit über den Sensor S klebt. Dadurch wird ein Schutz, beispiels weise gegen mechanische oder chemische Beschädigung, erreicht.

Fig. 3 zeigt eine alternative Realisierung des erfindungsgemäßen flächigen Sensors S. Es sind vier Spuren SP1 bis SP4 vorgesehen, wobei die erste und vierte Spur SP1 und SP4 und die zweite und dritte Spur SP2 und SP3 jeweils aus einer Parallelschaltung von Strukturelementen ST1 und ST2 über der gesamten Sensorlänge bestehen. Zumindest die Strukturelemente ST1 und ST2 sollen dabei aus Material bestehen, welches eine unterschiedliche Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur aufweist. Die Ausgangssignale aller Spuren SP1, SP2, SP3 und SP4 werden zunächst ei ner Auswerteschaltung AW zugeleitet, in der die Ausgangssignale in einer Brücke, insbesondere einer Wheatstone-Brücke, verschaltet werden und an schließend werden die Ausgangssignale der Brückenschaltung einem Ver stärker V zugeleitet.

Die dabei benötigten elektronischen Baugruppen für Verstärker V und Aus wertung AW können auf dem Sensor S integriert ausgeführt sein, wie in Fig. 3 dargestellt. Dadurch kann eine geringere Empfindlichkeit gegen elektro magnetische Störungen und dem unvermeidlichen Rauschen erreicht wer den.

Im Gegensatz zu einer punktuellen Temperaturmessung, beispielsweise mit einzelnen temperaturabhängigen Widerständen, liefert der flächige Sensor den genauen Mittelwert der Temperatur im vom Sensor überdeckten Be reich. Da bei konstantem Ausdehnungskoeffizienten die Gesamtdehnung der mittleren Temperatur proportional ist, sind zeitlich zurückliegende Tempera turmessungen, wie sie bei anderen Verfahren benötigt werden, mit dem er findungsgemäßen Sensor S nicht erforderlich.

Der temperaturabhängige ohmsche Widerstand eines metallischen Leiters, wie er für die Strukturelemente ST1, ST2 und ST3 verwendet wird, berech net sich aus dem spezifischem Widerstand ρ des Materials, der Länge L, der Querschnittsfläche A, dem Temperaturkoeffizienten α und der Temperatur differenz ΔT.

Nimmt man an, daß die breiten horizontalen Leiterbahnen einer beliebigen Spur SP1, SP2, SP3, SP4 aus der Fig. 1 bzw. die Verbindungselemente VE der Spuren SP5 oder SP6 aus der Fig. 3 keinen Einfluß auf den Gesamtwi derstand eines Strukturelements ST1, ST2, oder ST3 haben, so kann der Widerstand einer Spur SP1, SP2, SP3, SP4, SP5 oder SP6 aus der Parallel schaltung der einzelnen Strukturelements ST1, ST2, oder der Reihenschal tung der Strukturelemente ST3 berechnet werden. Im folgenden soll näher auf die interessantere Parallelschaltung der als temperaturabhängige Wider stände dienenden Strukturelemente ST1 und ST2 aus Fig. 3 eingegangen werden. Mit der Anzahl n der Strukturelemente ST1, ST2 berechnet sich der Widerstand einer der Spuren SP1, SP2, SP3, SP4 zu:

Die mittlere Temperatur kann mit dem flächigen Sensor aus Fig. 3 beson ders vorteilhaft gemessen werden, wenn die vier Spuren SP1, SP2, SP3 und SP4 in einer Wheatstonschen Brücke verschaltet werden. Dadurch wird er reicht, daß Störungen mittels der Brückenschaltung kompensiert werden.

Bezeichnet man die Widerstände der Spuren SP1 bis SP4 mit R1 bis R4, gilt für die Brückenschaltung:

Bei der Wheatstone-Brücke bilden R1 und R2 einen ersten Spannungsteiler und R3 und R4 einen zweiten, parallelgeschalteten Spannungsteiler. Die Ausgangsspannung U_a wird als Spannungsdifferenz zwischen den Verbin dungspunkten von R1, R2 und R3, R4 gemessen. Die Versorgungsspan nung U_e wird an R1 und R3 angelegt, R2 und R4 liegen an Masse.

Verwendet man für die Strukturelemente ST1 und ST2 unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Kenngrößen und ordnet man den Kenn größen der Strukturelemente ST1 den Index a und den Kenngrößen der Strukturelemente ST2 den Index b zu, so ergibt sich die Ausgangsspannung U_a der Brückenschaltung abhängig von der Eingangsspannung U_e zu:

Unter den vereinfachenden Annahmen, daß

- der Temperaturkoeffizient α_b gegenüber α_a vernachlässigbar klein ist,
- alle Strukturelemente ST1 und ST2 bei Raumtemperatur den gleichen Widerstand haben und
- die temperaturabhängige Änderung des Widerstands gering gegen über dem Gesamtwiderstand ist,
gilt:

Daß der Temperaturkoeffizient α_b des Materials für erste Strukturelemente ST1 vernachlässigbar klein ist gegenüber dem Temperaturkoeffizienten α_a, wird durch eine geeignete Wahl der Materialien, aus denen die Strukturelemente ST1 und ST2 bestehen, erreicht. Hier ist besonders die Kombination Konstantan mit Tem peraturkoeffizient α_b für die Strukturelemente ST1 und Kupfer mit Temperatur koeffizient α_a für die Strukturelemente ST2 geeignet. Daß alle Strukturelemente ST1 und ST2 bei Raumtemperatur den gleichen Widerstand haben wird durch die Wahl der Länge La, Lb und Querschnitt Aa, Ab erreicht. Daß die Änderung des temperaturabhängigen Teils des Widerstands gering gegenüber dem Ge samtwiderstand ist, ist aufgrund der gegenüber 1 kleinen Temperaturkoeffizient α_a und α_b ohnehin der Fall.

Die Brückenspannung ist gemäß obiger Gleichung somit unabhängig von der Anzahl n der nach dem Abschneiden übrigen Strukturelemente ST1 und ST2. Ein individuelles Kalibrieren des Verstärkers V abhängig von der Länge des Sensors S beim Anwender ist dadurch nicht erforderlich.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors S als Dehnungssensor dürfen die sogenannten Vorzugsrichtungen der Strukturelemente ST1, ST2, ST3 der Spuren SP1, SP2, SP3 und SP4 des Sensors aus Fig. 3 oder SP5 und SP6 des Sensors aus Fig. 1 nicht senkrecht zur Dehnungsrichtung aus gerichtet sein. Eine optimale Empfindlichkeit des Sensors S gegenüber Deh nung erreicht man, wenn die Spuren SP1 bis SP4 bzw. SP5 und SP6 paral lel zur Dehnungsrichtung verlaufen. Dies ist durch die spezielle Leitungsfüh rung in den Strukturelementen ST1, ST2 und ST3 gemäß Fig. 1 und Fig. 3 begründet.

In der vorangegangenen Beschreibung wurde davon ausgegangen daß die elektronischen Baugruppen zumindest zur Verstärkung der Sensoraus gangssignale auf dem Sensor S integriert angeordnet sind. Alternativ dazu besteht die Möglichkeit, daß die elektronischen Baugruppen und der eigent liche Sensor S, bestehend nur aus den Spuren SP1 bis SP4 bzw. SP5 und SP6, als getrennte Baugruppen gemäß Fig. 4 ausgestaltet sind. Dann be steht die vorteilhafte Möglichkeit den Sensor S in großen Mengen am Stück herzustellen und erst für die spezielle Anwendung, beispielsweise von einer Rolle, abzutrennen.

Dies hat den Vorteil, daß kein Abfall entstehen würde und die Herstellung des Sensors S wesentlich einfacher und kostengünstiger wäre.

Die elektronischen Baugruppen, insbesondere der Verstärker V, können dann entweder über Kabel mit dem Sensor S verbunden werden oder diese werden unmittelbar an einem Ende der Spuren SP1 bis SP4 bzw. SP5 und SP6 mit dem Sensor S leitend verbunden. Hierfür können die in Fig. 1 dar gestellten Verbindungselemente VE benutzt werden oder es werden, wie in Fig. 4 dargestellt, für den Sensor S aus Fig. 3 die breiten Leiterbahnen, durch die die Strukturelemente ST1 und ST2 parallelgeschaltet werden, für eine Verbindung benutzt. Falls die Breite der Leiterbahnen nicht ausreichen sollte für eine Kontaktierung, können, wie in Fig. 4 dargestellt, in regelmäßi gen Abständen zusätzliche Lötpunkte LP vorgesehen werden, an denen der Sensor S mit der Auswerteelektronik (V, AW) verbunden wird.

Claims

1. Flächiger Sensor zur Temperatur und/oder Dehnungsmessung insbeson dere eines Maschinenteils oder einer Längen- oder Winkelmeßeinrich tung, der mindestens ein Strukturelement (ST1, ST2, ST3) mit tempera turabhängiger elektrischer Leitfähigkeit aufweist, wobei die Strukturele mente (ST1, ST2, ST3) über die gesamte Länge des Sensors (S) gleich mäßig verteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4, SP5, SP6), bestehend aus miteinan der verbundenen Strukturelementen (ST1, ST2, ST3), vorgesehen sind.

2. Flächiger Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (ST3) einer Spur (SP5, SP6) in Reihe geschaltet sind.

3. Flächiger Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Strukturelementen (ST3) ein elektrisches Verbindungse lement (VE) vorgesehen ist, wodurch die zwei Spuren (SP5, SP6) mitein ander verbunden werden können.

4. Flächiger Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisches Verbindungselement (VE) für die zwei Spuren ein Lötpunkt (LP) vorgesehen ist.

5. Flächiger Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (ST1, ST2) einer Spur (SP1, SP2, SP3, SP4) parallel geschaltet sind.

6. Flächiger Sensor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (ST1, ST2) der mindestens zwei Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4) aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen.

7. Flächiger Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß auf der Rückseite des Sensors (S) eine Klebeschicht (KS) zum Verkleben mit einem zu messenden Bauteil vorgesehen ist und daß die Klebeschicht (KS) besonders wärmeleitfähig ist.

8. Flächiger Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß auf der Vorderseite des Sensors (S) im montierten Zustand eine Schutzschicht aufgeklebt wird, wodurch der Sensor (S) vor Beschä digung geschützt wird.

9. Flächiger Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sensor (S) an einem Ende elektronische Baugruppen (V, AW) beinhaltet.

10. Flächiger Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Baugruppen eine Verstärkerschaltung (V) beinhalten.

11. Flächiger Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Baugruppen eine Auswerteschaltung (AW) bein halten.

12. Flächiger Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (S) vier Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4) beinhaltet, wobei die Strukturelemente (ST1) zweier Spuren (SP1, SP4) aus einem ersten und die Strukturelemente (ST2) zweier Spuren (SP2, SP3) aus einem zweiten Material gefertigt sind.

13. Flächiger Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4) in der Auswerteschaltung (AW) zu ei ner Brücke verschaltet werden.

14. Verfahren zur individuellen Anpassung eines flächigen Sensors nach ei nem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht mehr benötigte Länge des Sensors (S) entlang einer Schnittlinie (SL) an dem Ende des Sensors (S) abgeschnitten wird, das keine elektronischen Baugruppen (V, AW) aufweist.

15. Verfahren zur individuellen Anpassung eines flächigen Sensors nach ei nem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende des Sensors (S) der keine elektronischen Baugruppen (V, AW) aufweist, die beiden Spuren (SP5, SP6) durch die elektrischen Verbindungsele mente (VE, LP) miteinander verbunden werden.

16. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach den Ansprüchen 1 bis 8 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (S) in Form eines lan gen Bandes gefertigt wird, wodurch der Anwender die benötigte Sensor länge von dem langen Band abtrennen kann.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Anwen der elektronische Baugruppen (V, AW) mit dem Sensor (S) über bereits vorhandene Verbindungselemente (VE, LP) verbindet.

18. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (S) zur Messung einer Dehnung benutzt wird und daß die Längsrichtung der Spuren (SP1, SP2, SP3, SP4, SP5, SP6) des Sensors (S) im wesentlichen senkrecht zu der zu messenden Dehnung angeordnet werden.